Komplexe aus entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten haben sowohl in der Biologie als auch in den Materialwissenschaften eine große Bedeutung. Im Mittelpunkt des Interesses stehen besonders die Kondensation der DNA in vitro, die Struktur des Nukleosoms im Zellkern, nicht-virale Systeme zur Transfektion von DNA in Zellen oder der Vorgang der layer-by-layer Adsorption. Verschiedene Theorien befassen sich mit den treibenden Kräften solcher Komplexbildungen. Allerdings standen experimentelle Untersuchungen auf diesem Gebiet bisher noch aus. Dieser Arbeit liegt die Fragestellung zu Grunde, ob es mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie möglich ist, die Struktur einzelner Polyelektrolytkomplexe, bestehend aus den beiden Polyelektrolyten DNA und dendronisierten Polymer, aufzuklären und ihre Komplexbildung zu untersuchen. Die Komplexe bildeten sich in Lösung und wurden anschließend auf einer unbeschichteten oder mit positiven Polymeren beschichteten Glimmeroberfläche adsorbiert. Auf der positiv beschichteten Glimmeroberfläche hafteten DNA-dendronisierte Polymer Komplexe mit einem Ladungsverhältnis von 1:1 bis 1:0.7 (DNA:dendronisiertes Polymer). Anhand der hochaufgelösten rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen wurde ein Modell entwickelt, das die Umwicklung der DNA um das dendronisierte Polymer beschreibt. Der DNA-DNA Abstand ergab sich zu (2.30 ± 0.27) nm für den Komplex mit DNA und zweiter Generation dendronisierter Polymere und zu (2.16 ± 0.27) nm mit vierter Generation. Die theoretische Vorhersage der Überladung der Komplexe konnte experimentell bestätigt werden. Mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie konnte überdies der Einfluss des Salzgehaltes der Lösung auf die Bildung der Komplexe mit DNA und zweiter Generation dendronisierter Polymere untersucht werden. Wie man anhand des Zusammenwirkens von elektrostatischen Kräften und entropischen Wechselwirkungen bei der Adsorption von Polyelektrolyten vorhersagen kann, durchlief der DNA-DNA Abstand ein Minimum bei ansteigendem Salzgehalt. Bei sehr hohem Salzgehalt (2.4 M NaCl) konnte das Ablösen der DNA von dem Komplex beobachtet werden. Die untersuchten DNA/dendroniserten Polymer Komplexe bilden ein neues Modellsystem, mit dem einzelne Polyelektrolyt-Wechselwirkungen direkt untersucht werden können. Ein Vergleich der experimentellen Daten mit den vorhandenen Theorien zeigte, dass der Prozess des Überladens weitgehend durch elektrostatische Wechselwirkung zwischen den beiden Polyelektrolyten beschrieben werden kann. Sowohl entropische Beiträge als auch die Biegeenergie der umwickelnden DNA sind vernachlässigbar. Basierend auf diesen Ergebnissen können neue Trägerstrukturen für effizientere nicht-virale DNA-Transfektionssysteme entwickelt werden. / Complexes of oppositely charged polyelectrolytes play an important role in both biology and material science, for instance DNA condensation in vitro, nucleosomal structure, non-viral gene transfection systems as well as layer-by-layer adsorption. Although there are theories predicting overcharging of polyelectrolyte complexes, the driving forces are still under debate and systematic experimental studies on single polyelectrolytes remain challenging. Therefore the question arose if it is possible to analyze single polyelectrolyte complexes, using DNA and dendronized polymers, with the scanning force microscope in order to investigate the complexation in detail. For the complex analysis, the polyelectrolytes were allowed to interact in solution and then to adsorb on negatively charged mica or on mica coated with a positively charged polymer. Scanning force microscopy was used to investigate the adsorbed species. DNA/dendronized polymer complexes of charge ratio of 1/1 through 1/0.7 adsorbed on mica coated with a positively charged polymer. The analysis of high resolution molecular images indicated that DNA wraps around the dendronized polymer with an estimated pitch of (2.30 ± 0.27) nm and (2.16 ± 0.27) nm for dendronized polymers of generation two and four, respectively. In the proposed model the polyelectrolyte with the smaller linear charge density is wrapped around the more highly charged dendronized polymer, resulting in a negatively overcharged complex. This overcharging is consistent within recent theories of spontaneous overcharging of complexes of one polyelectrolyte wrapping around the other. Using the complex of DNA and dendronized polymers of second generation, the influence of monovalent salt concentration on the molecular structure was studied. By increasing the salt concentration the pitch showed a minimum as predicted by the interplay of electrostatic forces and entropic interactions of polyelectrolyte adsorption. At high salt concentration (2.4 M NaCl) the release of DNA from the complex can be observed. The results showed that the DNA/dendronized polymer system can be used as a new, high potential model system to investigate single polyelectrolyte interactions. With regard to recent theories, the experimental results indicate that the overcharging of the complex is mainly driven by electrostatic forces whereas contributions of counterion entropy and bending energy seem to be negligible. This understanding may be useful for the design of single polyelectrolyte complexes for non-viral gene delivery systems and might help to optimize the transfection efficiency based on the structure of the vector system.

In der vorliegenden Arbeit wurden die mikromagnetische Struktur sowie das Ummagnetisierungsverhalten epitaktisch gewachsener MnAs Filme auf dem Substrat GaAs untersucht. Im Mittelpunkt steht die mikromagnetischen Struktur von anisotrop erspannten MnAs Filmen auf GaAs(001). Die Verspannung führt zur selbstorganisierten Anordnung ferromagnetischer Streifen. Ihre Domänenstruktur wurde mittels MFM (magnetischer Kraftmikroskopie) bestimmt und mit den Resultaten der XMCDPEEM (X-ray magnetic circular dichroism photoemission electron microscopy) verglichen. Um eine vollständige Charakterisierung der mikromagnetischen Eigenschaften der Streifenstruktur zu erreichen, wurden die MFM Experimente in einem äusseren Magnetfeld durchgeführt. Die Beantwortung der zentralen Frage nach der Domänenstruktur ist mit der Entwicklung eines mikromagnetischen Simulators für dreidimensionale magnetische Strukturen auf mesoskopischer Skala gelungen. Die Stabilität der dreidimensionalen mikromagnetischen Struktur hängt von den Eigenschaften der selbstorganisierten Streifenstruktur ab, d.h. sowohl von der Filmdicke als auch vom Verhältnis ihrer Breite zur Filmdicke - und damit der Temperatur. Durch die Erkenntnis, dass eine magnetische Struktur in der Tiefe des Streifens vorhanden ist, können die verbleibenden Unterschiede in den XMCDPEEM- und MFM-Resultaten erklärt werden. Durch die Simulationsergebnisse in Kombination mit den Experimenten wird eine widerspruchsfreie Deutung der mikromagnetischen Struktur sowie deren Ummagnetisierungsverhalten ermöglicht. Zudem wird die mikromagnetische Struktur von MnAs auf GaAs(111) simuliert und damit das Verständnis der mikromagnetischen Strukturen auf alle vorhandenen Substratorientierungen vervollständigt. / In the present thesis the micromagnetic structure, as well as the magnetization reversal, of epitaxial MnAs films on GaAs substrates are studied. The investigation is focused on the micromagnetic structure of anisotropically strained MnAs films on GaAs(001). The strain originates a selforganized array of ferromagnetic stripes. The magnetic domains were investigated using MFM (magnetic force microscopy) and the results were compared with XMCDPEEM (X-ray magnetic circular dichroism photoemission electron microscopy). To completely characterize the micromagnetic properties of the stripe structure, MFM experiments were performed in the presence of an external field. To unambiguously determine the domain structure a three-dimensional micromagnetic simulator was developed capable to calculate magnetic structures with mesoscopic dimensions. The stability of the three-dimensional micromagnetic structure depends on the properties of the selforganized stripe structure, i.e., on the film thickness as well as on the ratio of the stipe width to thickness - and thus the temperature. Taking into account the magnetization distribution in-depth, the remaining differences between the XMCDPEEM and the MFM results can be explained by the disturbing effect of the MFM tip. The results of the micromagnetic simulations, in combination with the experimental results, allow for a determination of the micromagnetic structure in an applied field throughout the phase coexistence regime. Moreover, the micromagnetic structure of MnAs films on GaAs(111) is simulated and thus the understanding of the micromagnetic properties have been extended on all substrate orientations.

Interactions of cells with the extracellular matrix (ECM) have important roles in various physiological and pathological processes, including tissue morphogenesis during embryonic development, wound healing and tumor invasion. Although most of the proteins involved in cell-ECM interactions have been identified, the underlying mechanisms and involved signaling pathways are incompletely understood. Here, atomic force microscope-based imaging and single-cell force measurements were used to characterize the interactions of different cell types with ECM proteins. The interplay between cells and ECM is complex. However, two interaction types, protein-protein and protein-carbohydrate, predominate. Integrins, adhesion receptors for ECM, mediate the former, galectins, a family of animal lectins, the latter. In the second chapter of this thesis, the contributions of both receptor families to the interactions of epithelial MDCK cells with ECM proteins are presented. It was found that galectins-3 and 9 are highly expressed in MDCK cells and required for optimal long-term adhesion (90 minutes) to ECM proteins collagen-I and laminin-111. Interestingly, early adhesion (< 2 minutes) to laminin-111, was integrin-independent and instead mediated by carbohydrate interactions and galectins. In contrast, early adhesion to collagen-I was exclusively mediated by integrins. Moreover, cells frequently entered an enhanced adhesion state, marked by a significant increase in the force required for cell detachment. Although adhesion was mediated by integrins, adhesion enhancement was especially observed in cells depleted for galectin-3. It was proposed that galectin-3 influences integrin-mediated adhesion complex formation by altering receptor clustering. To control their attachment to ECM proteins, cells regulate integrin receptors. One regulatory process is integrin crosstalk, where the binding of one type of integrin influences the activity of another type. In the third chapter, the implementation of a single-cell force spectroscopy assay to identify such crosstalks and gain insight into their mechanisms is described. In this assay the interactions of integrin receptors being specifically attached to one ligand are characterized in dependence of another ligand-bond receptor pair. With this assay a crosstalk between collagen-binding integrin α1β1 and fibronectin-binding integrin α5β1 was identified in HeLa cells. This crosstalk was directional from integrin α1β1 to integrin α5β1 and appeared to regulate integrin α5β1 by inducing its endocytosis. In the fourth and final chapter, mechanisms of matrix-induced cell alignment were studied by imaging cells on two-dimensional matrices assembled of highly aligned collagen fibrils. Integrin α2β1 was identified as the predominant receptor mediating cell polarization. Time-lapse AFM demonstrated that during alignment cells deform the matrix by reorienting individual collagen fibrils. Cells deformed the collagen matrix asymmetrically, revealing an anisotropy in matrix rigidity. When matrix rigidity was rendered uniform by chemical cross-linking or when the matrix was formed from collagen fibrils of reduced tensile strength, cell polarization did not occur. This suggested that both the high tensile strength and pliability of collagen fibrils contribute to the anisotropic rigidity of the matrix and lead to directional cellular traction and cell polarization. During alignment, cellular protrusions contacted the collagen matrix from below and above. This complex entanglement of cellular protrusions and collagen fibrils may further promote cell alignment by maximizing cellular traction. The work presented here adds to the understanding of cell-ECM interactions. Atomic force microscopy imaging allowed characterizing the behavior of cells on nanopatterned collagen matrices whereas single-cell force spectroscopy revealed insights into the regulation of cell adhesion by galectins. Furthermore, methodological advances in the single-cell force spectroscopy assay allowed the intracellular regulation of receptor molecules to be studied. The work demonstrates that atomic force microscopy is a versatile tool to study cell-ECM interactions.

Local studies of magnetic flux line (vortex) distribution in superconducting thin films and their pinning by natural and artificial defects have been performed using low-temperature magnetic force microscopy (LT-MFM). Taken a 100 nm thin NbN film as an example, the depinning of vortices from natural defects under the influence of the force that the MFM tip exerts on the individual vortex was visualized and the local pinning force was estimated. The good agreement of these results with global transport measurements demonstrates that MFM is a powerful and reliable method to probe the local variation of the pinning landscape. Furthermore, it was demonstrated that the presence of an ordered array of 1-μm-sized ferromagnetic permalloy dots being in a magneticvortex state underneath the Nb film significantly influences the natural pinning landscape of the superconductor leading to commensurate pinning effects. This strong pinning exceeds the repulsive interaction between the superconducting vortices and allows vortex clusters to be located at each dot. Additionally, for industrially applicable YBa$_2$Cu$_3$O$_{7-\delta} thin films the main question discussed was the possibility of a direct correlation between vortices and artificial defects as well as vortex imaging on rough as-prepared thin films. Since the surface roughness (droplets, precipitates) causes a severe problem to the scanning MFM tip, a nanoscale wedge polishing technique that allows to overcome this problem was developed. Mounting the sample under a defined small angle results in a smooth surface and a monotonic thickness reduction of the film along the length of the sample. It provides a continuous insight from the film surface down to the substrate with surface sensitive scanning techniques.

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung von ausschließlich elektrostatisch arbeitenden Sensor-Aktor-Arrays zur Oberflächenprofilbestimmung an Mikroteilen beschrieben. Ein wesentliches Merkmal der Strukturen ist ihr großer Eigenzustellbereich von bis zu 20 Mikrometer. Die Auswertung atomarer Kräfte ermöglicht Wegauflösungen im Nanometerbereich. Auf Grund der geringen Abmessungen durch die mikromechanische Fertigung des Sensorelements und der integrierten Sensor-Aktorfunktion sind Anordnungen als Zeilenarray möglich. Die Entwicklung richtet sich auf Strukturen, welche in klassischer Oberflächentechnologie gefertigt werden können. Durchgeführte experimentelle Tests wurden mit Sensoren in Silizium-bulk-Mikromechanik (SCREAM) realisiert. Der Schwerpunkt der Arbeit behandelt die Charakterisierung der Sensorelemente und damit verbundene Layoutverbesserungen, wie das Einbringen von Feldstoppern und die Nutzbarkeit des Sensors zur Profilbestimmung von Oberflächen unter Beachtung industrieller Anforderungen. Vorteile des Einsatzes eines solchen Sensor-Aktor-Arrays liegen in der Miniaturisierung und dem vergleichsweise großen Eigenzustellbereich jedes einzelnen Sensors. Dadurch ist es möglich, technische Oberflächen, welche im Eigenzustellbereich des Sensorarrays liegen, ohne das Nachregeln einer übergeordneten Positioniereinheit im Profil zu bestimmen. Es wird gezeigt, wie die angewandte kapazitive Wirkungsweise des Sensors mit den sehr kleinen Nutzkapazitäten im Beisein von großen Parasitärkapazitäten zur Signalauswertung genutzt werden kann.

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Das chemisch-mechanische Planarisieren (CMP) in der Halbleiterindustrie ist ein Prozess mit sehr vielen Einflussgrößen, wobei das Polierergebnis unter anderem von den Eigenschaften der Wechselwirkungskomponenten Wafer, Poliersuspension und Polierpad abhängig ist. Bei der Entwicklung neuer Schaltkreisentwürfe werden die strukturellen Abhängigkeiten der Topografie nach dem CMP häufig im Verlauf von zeit- und kostenintensiven Lernzyklen aufgedeckt und angepasst. Um Dauer und Kosten für die Entwicklung neuer Schaltkreise zu reduzieren, sollte im Rahmen eines BMBF-Projektes ein umfassendes Gesamtmodell, welches den Polierprozess ausführlich beschreibt, entwickelt werden. Für die Umsetzung dieses Vorhabens ist ein umfassendes qualitatives und quantitatives Verständnis der mechanisch-hydrodynamischen und physikalisch-chemischen Mechanismen zu erarbeiten, welche den Materialabtrag und die Planarisierung beim CMP bestimmen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es zum einen, mittels direkter Kraftmessung am AFM die Wechselwirkungskräfte zwischen den Festkörperoberflächen von Schleifpartikel und Wafer sowie zwischen den Schleifpartikeln untereinander in CMP-relevanten Flüssigkeiten und ihre Bedeutung für das CMP zu untersuchen. Um die Wechselwirkungskräfte am AFM bestimmen zu können, war zuvor die Entwicklung einer geeigneten Versuchsanordnung nötig. Zur Absicherung der Ergebnisse aus den Kraftmessungen wurde eine Methode erarbeitet, um die zwischenpartikulären Wechselwirkungen mittels rheologischer Untersuchungen indirekt bestimmen zu können. Des Weiteren fanden rheologische Messungen zur Untersuchung der Fließeigenschaften der Poliersuspensionen statt, wobei außerdem der Einfluss anwendungsrelevanter hydrodynamischer Kräfte auf die Stabilität der Poliersuspension zu überprüfen war. Als Poliersuspensionen kamen kommerziell verfügbare Slurries sowie eine Modellslurry zum Einsatz. Neben Systemen mit dispergierten Silica-Partikeln wurde auch eine Slurry mit Ceria-Partikeln als disperse Phase betrachtet. Die kontinuierliche Phase einer Poliersuspension ist ein Mehrkomponentensystem und enthält unterschiedlichste Additive. Untersucht wurde der Einfluss von pH-Wert und Elektrolytkonzentration auf die Wechselwirkungskräfte, das Fließverhalten sowie den Materialabtrag.

Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Perylen-Derivate als Zwischenschichten in Ag/organischen Schichten/GaAs(100)-Heterostrukturen eingesetzt, um den Einfluss von unterschiedlichen chemischen Endgruppen auf die chemischen und strukturellen Eigenschaften beider Grenzflächen, sowie auf die Morphologie, Struktur und Kristallinität von organischen Schichten zu charakterisieren. Die molekularen Schichten von 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Dianhydrid (PTCDA) und Dimethyl-3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Diimid (DiMe-PTCDI) werden durch organische Molekularstrahldeposition (OMBD) im Ultrahochvakuum auf S-passivierten GaAs(100):2x1-Substraten hergestellt. Weiterhin wird der Einfluss des Substrats untersucht, indem PTCDA-Wachstum auf H-passiviertem Si(100):1x1 durchgeführt wird. Als Hauptcharakterisierungsmethode wird die Ramanspektroskopie eingesetzt. Diese ist eine nicht-destruktive Methode, die auch in situ Untersuchungen des Wachstumsprozesses ermöglicht. Die komplementäre Infrarotspektroskopie sowie die Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenbeugung (XRD) werden zur Ergänzung des Verständnisses der Heterostruktureigenschaften verwendet. Die Empfindlichkeit von Raman- und Infrarot-Spektroskopien auf die chemisch unterschiedlichen Endgruppen wird durch experimentelle Untersuchungen an PTCDA- und DiMe-PTCDI-Kristallen, beziehungsweise dicken Schichten und mit Hilfe theoretischer Berechnungen nachgewiesen. So wird zum ersten Mal eine vollständige Zuordnung der Schwingunsfrequenzen zu den internen Schwingungsmoden von DiMe-PTCDI vorgeschlagen. Im niedrigen Frequenzbereich der Ramanspektren werden die externen molekularen Schwingungsmoden, oder molekularen „Phononen“, die eine Signatur der Kristallinität darstellen, beobachtet. Die Phononen von DiMe-PTCDI werden in dieser Arbeit zum ersten Mal in einem Ramanexperiment beobachtet. Mittels resonanter Ramanspektroskopie wird die Detektion von C-H-Deformationsmoden und C-C-Streckmoden sogar im Sub-Monolagenbereich molekularer Bedeckung auf Halbleiteroberflächen möglich. Anhand dieser Ramanspektren konnte die Art der Wechselwirkung zwischen Molekülen und passivierten Oberflächen näher charakterisiert werden. Zusätzliche Information bringen die GaAs LO- und Plasmon-gekoppelten LO- Phononen, deren Intensitätsverhältnis im Ramanspektrum die Bandverbiegung im GaAs-Substrat widerspiegelt. Die Kristallinität der hergestellten organischen Schichten mit Dicken größer als 2 nm wird durch Beobachtung der molekularen „Phononen“ nachgewiesen. Als allgemeine Tendenz konnte bewiesen werden, dass mit steigender Substrattemperatur während des Wachstums größere Kristalldomänen entstehen. Weiterhin wird eine Methode vorgeschlagen, um den Anteil von zwei PTCDA- Kristallphasen mit ähnlichen Gitterparametern anhand der Raman- beziehungsweise XRD-Spektren zu bestimmen. Durch ihre sehr gute Ordnung können die DiMe-PTCDI- Schichten als Modellsystem dienen, um eine Methode zu entwickeln, die die Molekülorientierung im Bezug zum Substrat aus polarisationsabhängigen Raman- und Infrarotmessungen bestimmt. Bei der Metall-Bedampfung wird die Empfindlichkeit der Ramanstreuung an internen molekularen Schwingungsmoden von PTCDA und DiMe-PTCDI-Schichten durch oberflächenverstärkte Ramanstreuung (SERS) erhöht. Anhand der unterschiedlichen Signalverstärkungsmechanismen werden Informationen über die Ag/Molekül- Wechselwirkung und die Morphologie der Ag-Schichten abgeleitet.

Amorphous, hydrogenated carbon films (a-C:H) have been prepared in a PECVD device from methane and ethine as the source gases.The aim was to deposit films at high growth rates while keeping high hardness (25 ± 3 GPa). Hardness, hydrogen content and surface roughness were investigated dependent on the process conditions. Further investigation showed, that the mechanical properties of the a-C:H films are determined by the energy of the ions and the ratio between the film forming ion and the film forming neutral fluxes. On the basis of the collected data the optimal deposition conditions were determined and suggestions for further improvement of the deposition were made. / Amorphe, wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten (a-C:H) wurden mittels PECVD-Verfahren abgeschieden, wobei Methan und Ethin als Quellgase verwendet wurde. Ziel war dabei die Abscheidung der Schichten mit hohen Aufwachsraten unter Beibehaltung hoher Härten (25 ± 3 GPa). Härte, Wasserstoffgehalt und Oberflächenrauhigkeit der Schichten wurden in Abhängigkeit von den Prozeßbedingungen untersucht. Weitere Untersuchungen zeigten, daß die mechanischen Eigenschaften der a-C:H Schichten von der Energie der Ionen und dem Verhältnis der schichtbildenden Ionen- und Neutralteilchenflüsse bestimmt werden. Auf der Grundlage der gewonnenen Daten können die optimalen Abscheidebedingungen festgelegt, und Vorschläge zur weiteren Verbesserung der Schichtabscheidung gemacht werden.

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung von ausschließlich elektrostatisch arbeitenden Sensor-Aktor-Arrays zur Oberflächenprofilbestimmung an Mikroteilen beschrieben. Ein wesentliches Merkmal der Strukturen ist ihr großer Eigenzustellbereich von bis zu 20 Mikrometer. Die Auswertung atomarer Kräfte ermöglicht Wegauflösungen im Nanometerbereich. Auf Grund der geringen Abmessungen durch die mikromechanische Fertigung des Sensorelements und der integrierten Sensor-Aktorfunktion sind Anordnungen als Zeilenarray möglich. Die Entwicklung richtet sich auf Strukturen, welche in klassischer Oberflächentechnologie gefertigt werden können. Durchgeführte experimentelle Tests wurden mit Sensoren in Silizium-bulk-Mikromechanik (SCREAM) realisiert. Der Schwerpunkt der Arbeit behandelt die Charakterisierung der Sensorelemente und damit verbundene Layoutverbesserungen, wie das Einbringen von Feldstoppern und die Nutzbarkeit des Sensors zur Profilbestimmung von Oberflächen unter Beachtung industrieller Anforderungen. Vorteile des Einsatzes eines solchen Sensor-Aktor-Arrays liegen in der Miniaturisierung und dem vergleichsweise großen Eigenzustellbereich jedes einzelnen Sensors. Dadurch ist es möglich, technische Oberflächen, welche im Eigenzustellbereich des Sensorarrays liegen, ohne das Nachregeln einer übergeordneten Positioniereinheit im Profil zu bestimmen. Es wird gezeigt, wie die angewandte kapazitive Wirkungsweise des Sensors mit den sehr kleinen Nutzkapazitäten im Beisein von großen Parasitärkapazitäten zur Signalauswertung genutzt werden kann.