In soils and sediments there is a strong coupling between local biogeochemical processes and the distribution of water, electron acceptors, acids and nutrients. Both sides are closely related and affect each other from small scale to larger scales. Soil structures such as aggregates, roots, layers or macropores enhance the patchiness of these distributions. At the same time it is difficult to access the spatial distribution and temporal dynamics of these parameter. Noninvasive imaging techniques with high spatial and temporal resolution overcome these limitations. And new non-invasive techniques are needed to study the dynamic interaction of plant roots with the surrounding soil, but also the complex physical and chemical processes in structured soils. In this study we developed an efficient non-destructive in-situ method to determine biogeochemical parameters relevant to plant roots growing in soil. This is a quantitative fluorescence imaging method suitable for visualizing the spatial and temporal pH changes around roots. We adapted the fluorescence imaging set-up and coupled it with neutron radiography to study simultaneously root growth, oxygen depletion by respiration activity and root water uptake. The combined set up was subsequently applied to a structured soil system to map the patchy structure of oxic and anoxic zones induced by a chemical oxygen consumption reaction for spatially varying water contents. Moreover, results from a similar fluorescence imaging technique for nitrate detection were complemented by a numerical modeling study where we used imaging data, aiming to simulate biodegradation under anaerobic, nitrate reducing conditions. / In Böden und Sedimenten sind biogeochemische Prozesse und die Verteilung von Größen wie Wasser, Elektronenakzeptoren, Säuregehalte und Nährstoffe in enger Weise miteinander gekoppelt. Diese wechselseitige Beeinflussung ist skalenübergreifend und reicht von sehr kleinen bis zu größeren Skalen. Die in realen Böden vorhandene Struktur z. Bsp. Aggregate, Pflanzenwurzeln, Schichten und Makroporen bedingen eine starke räumlich Heterogenität und zeitliche Dynamik dieser Größen. Gleichzeitig sind Verteilung und Dynamik sehr schwer zu beobachten, zumindest ohne ihre gleichzeitige Störung. Bildgebende Verfahren bieten eine sehr gute räumliche und zeitliche Auflösung und ermöglichen die Darstellung dieser Größen. Um die dynamische Wechselwirkung zwischen Pflanzenwurzeln und Boden, aber auch die komplexen physikalisch – chemischen Prozesse in Böden zu verstehen, sind neue bildgebende Verfahren notwendig. Ziel dieser Arbeit war es, eine neue nicht-invasive Methode zu entwickeln, die es ermöglicht biogeochemische Parameter in der Wurzelzone zu visualisieren. Innerhalb dieser Studie wurde ein quantitatives bildgebendes Verfahren entwickelt, dass die räumlichen und zeitlichen Dynamiken des pH Wertes in der Rhizosphäre erfasst. Diese auf Fluoreszenzemissionen basierende Methode wurde ebenso für Sauerstoffdetektion entwickelt und mit Neutronen Radiographie kombiniert um gleichzeitig Aussagen über Wurzelwachstum, Sauerstoffzehrung durch Wurzelatmung und Wurzelwasseraufnahme treffen zu können. Die kombinierte bildgebende Methode wurde dann in einem künstlichen Boden genutzt um Nischen und Übergangsbereiche von Sauerstoff bei variierenden Wassergehalten zu charakterisieren. Das große Potential von bildgebenden Verfahren zeigt sich bei Modellierungsstudien. In dieser Studie wurden Bilddaten als Eingabeparameter für die Simulierung von denitrifizierendem biologischem Schadstoffabbau genutzt.

Die organisch-anorganische Hybridelektronik bietet verschiedene Möglichkeiten zur Entwicklung neuartiger Bauelemente, welche die Vorteile von organischen und anorganischen Halbleitern vereinen. Planare Bauelemente werden typischerweise mittels Schattenmasken-basierter Strukturierung hergestellt. Ein Grund hierfür ist die Empfindlichkeit organischer Halbleiter gegenüber Ultraviolettem Licht und Lösungsmitteln, welche in den Standard-Photolithographieprozessen eingesetzt werden. Die Schattenmasken-Strukturierung führt allerdings zu Bauelementen mit kleinsten Abmessungen im Mikrometerbereich. Für die Reduzierung der Kanalabmessungen von planaren organisch-anorganischen Hybridbauelementen unterhalb eines Mikrometers ist die Elektronenstrahllithographie die am häufigsten verwendete Technik. Aufgrund des hohen Kosten- und Zeitaufwandes ist es nicht möglich, diese Technik für Wafermaßstab-Herstellung in der industriellen Anwendung einzusetzen. In dieser Arbeit wird eine alternative Technologie zur Herstellung von planaren Bauelementen mit isolierten Grabenelektroden und Kanalabmessungen von wenigen Hundert Nanometer bis unter 100 nm vorgestellt. Gräben kleiner als ein Mirkometer werden zunächst auf Silizium-Substraten strukturiert und anschließend mit einer isolierenden SiO2 Schicht aufgefüllt. Diese hilft dabei die gewünschten Elektrodenabstände, also die gewünschte Kanallänge, zu erreichen. Die Flexibilität des neuen Herstellungsverfahrens ermöglicht es nicht nur verschiedenen Kanallängen und Bauelement-Geometrie, sondern auch die Verwendung verschiedener Materialien für Elektroden und organischen Kanäle. Dies wiederum ermöglicht eine Vielfalt von potentiellen Anwendungen der hybriden Bauelemente. In dieser Arbeit wurde 6,13-bis (triisopropylsilylethinyl)-Pentacen (TIPS-Pentacen) Lösung und metallfreie Phthalocyanin als organisches Material verwendet und als Elektrodenmaterial diente Gold. Die entstandenen auf TIPS-Pentacen-Lösung basierenden planaren hybriden Bauelemente wurden für potentielle Anwendungen als optische sowie magnetoresistive Sensoren getestet.:Table of Contents Bibliografische Beschreibung 1 Chapter 1. Introduction 3 1.1 Organic-inorganic hybrid electronics 4 1.2 Inorganic semiconductors versus organic semiconductors 5 1.3 Electronic properties of a molecular layer 5 1.4 Vertical HEDs and planar HEDs 6 Chapter 2. Wafer-scale fabrication approach for planar HED-TIEs 8 2.1 Overview of nano-patterning techniques 8 (a) Electron beam lithography (EBL) 8 (b) Nanostencil lithography (NSL) 8 (c) Nanoimprint lithography (NIL) 9 2.2 Fabrication of planar organic-inorganic HED-TIEs 12 2.2.1 Trench refill approach for fabricating HED-TIEs 12 2.2.1.1 Deposition of the trench refill layer 15 2.2.1.2 Deposition of the organic channel material 16 (a) HED-TIE with thermally evaporated organic channel 16 (b) HED-TIE with solution processed organic channel 18 2.2.2 Spacer approach for fabricating HED-TIEs 21 2.2.2.1 Deposition of the isolation layer 23 2.3 Characterization techniques 26 (a) Electrical characterization 26 (b) Raman spectroscopy 26 (c) Photoluminescence spectroscopy 27 2.4 Summary and outlook 27 Chapter 3. Electrical characterization of HED-TIEs 29 3.1 Theoretical background 29 3.1.1 Space charge limited current (SCLC) conduction mechanism 29 3.2 Experimental details 32 3.3 Results and discussions 34 3.4 Summary and outlook 40 Chapter 4. Application of HED-TIEs as optical sensors 41 4.1 Photosensing properties of TIPS-pentacene based HED-TIEs 41 4.1.1 Theoretical background 41 4.1.2 Experimental details 43 4.1.3 Results and discussions 44 4.1.4 Summary and outlook 49 4.2 Photosensing properties of TIPS-pentacene based HED-TIEs with Au nanoparticles in the channel matrix 50 4.2.1 Theoretical background 50 4.2.2 Experimental details 51 4.2.3 Results and discussions 52 4.2.4 Summary and outlook 59 Chapter 5. Application of HED-TIE devices as magnetoresistive sensors 61 5.1 Theoretical background 61 5.1.1 Organic spintronics 61 5.1.2 Mechanisms of organic magnetoresistance (OMAR) 65 (a) Bipolaron model 68 (b) Electron-hole (e-h) pair model 69 (c) Exciton–charge interaction model 70 5.2. OMAR measurements on TIPS-pentacene OFETs and HED-TIEs 71 5.2.1 Experimental details 71 5.3 Results and discussions 73 5.4 Summary and outlook 79 Chapter 6. Summary and outlook 81 References 86 List of Figures 97 List of Tables 103 List of Abbreviations 104 Acknowledgements 106 List of Publications 108 List of Conference Presentations and Posters 109 Selbstständigkeitserklärung 111 Curriculum Vitae 112