PVD hard ceramic coatings grown via the combined cathodic arc/unbalance magnetron deposition process were studied using Raman microscopy. Characteristic spectra from binary, multicomponent, multilayered and superlattice coatings were acquired to gain knowledge of the solid-state physics associated with Raman scattering from polycrystalline PVD coatings and to compile a comprehensive spectral database. Defect-induced first order scattering mechanisms were observed which gave rise to two pronounced groups of bands related to the acoustical (150-300cm[-1]) and optical (400-750cm[-1]) parts of the phonon spectrum. Evidence was gathered to support the theory that the optic modes were mainly due to the vibrations of the lighter elements and the acoustic modes due to the vibrations of the heavier elements within the lattice. A study into the deformation and disordering on the Raman spectral bands of PVD coatings was performed. TiAIN and TiZrN coatings were intentionally damaged via scratching methods. These scratches were then analysed by Raman mapping, both across and along, and a detailed spectral interpretation performed. Band broadening occurred which was related to "phonon relaxation mechanisms" as a direct result of the breaking up of coating grains resulting in a larger proportion of grain boundaries per-unit-volume. A direct correlation of the amount of damage with band width was observed. Band shifts were also found to occur which were due to the stresses caused by the scratching process. These shifts were found to be the largest at the edges of scratches. The Raman mapping of "droplets", a defect inherent to PVD deposition processes, found that higher compressive stresses and large amounts of disorder occurred for coating growth onto droplets. Strategies designed to evaluate the ability of Raman microscopy to monitor the extent of real wear on cutting tools were evaluated. The removal of a coating layer and subsequent detection of a base layer proved successful. This was then expanded to real wear situations in which tools were monitored after 3,6,12,64,120 and 130 minutes-in-cut. A PCA chemometrics model able to distinguish between component layers and oxides was developed. Raman microscopy was found to provide structural and compositional information on oxide scales formed on the surfaces of heat-treated coatings. Wear debris, generated as a consequence of sliding wear tests on various coatings, was also found to be primarily oxide products. The comparison of the oxide types within the debris to those formed on the surface of the same coating statically oxidised, facilitated a contact temperature during sliding to be estimated. Raman microscopy, owing to the piezo-spectroscopic effect, is sensitive to stress levels. The application of Raman microscopy for the determination of residual compressive stresses within PVD coatings was evaluated. TiAlN/VN superlattice coatings with engineered stresses ranging -3 to -11.3 GPa were deposited onto SS and HSS substrates. Subsequent Raman measurements found a correlation coefficient of 0.996 between Raman band position and stress (determined via XRD methods). In addition, there was also a similar correlation coefficient observed between hardness and Raman shift (cm-1). The application of mechanical stresses on a TiAlCrN coating via a stress rig was investigated and tensile and compressive shifts were observed.

Les propriétés électroniques et thermoélectriques de matériaux basés sur Mg2Si ont été étudiées par calculs DFT et semi-classiques (théorie de Boltzmann). Les effets d’abaissement de dimensionalité et de contraintes ont été étudiés. Les calculs ont été effectués sur les films monocristallins orientés 001, 110 et 111 et sur les films polycristallins. Seul le film monocristallin orienté 110 a montré des propriétés thermoélectriques intéressantes. Trois types de contraintes ont été investiguées: uniaxiale, biaxiale et isotrope. L’augmentation de la contrainte sur Mg2Si produit un décalage du maximum du facteur de puissance (PF) vers les basses températures. Comparé à Mg2Si non contraint, le coefficient Seebeck (S) augmente uniquement sous contrainte isotrope. On montre l’équivalence des propriétés thermoélectriques entre Mg2Si contraint dans la direction [110] et celles du film orienté 110. Les contraintes de tension isotropes ont été modélisées en insérant des atomes Sb dans Mg2Si massif conduisant aux structures Mg2Si:Sb, Mg2Si:3Sb and Mg2Si:4Sb. Seul Mg2Si:4Sb produit une contrainte isotrope. Les effets de substitutions de Sn pour Si dans Mg2Si massif sont similaires à ceux observés pour Mg2Si sujet à des contraintes en tension uniaxiales et biaxiales. Pour les films Mg2Si1−xSnx orientés 110 le S du matériau dopé p est supérieur à celui des massifs Mg2Si et Mg2Si1−xSnx. Concernant les nanostructures, le super-réseau Mg2Si/Mg2Sn est le plus intéressant lorsque faiblement dopé p et à basse température. Les assemblages de fils sont les meilleurs en tant que matériaux faiblement dopés n et à basse température: le PF est quasiment doublé par rapport à celui de Mg2Si massif. / The electronic and thermoelectric properties of Mg2Si-based materials have been investigated by means of DFT calculations and semi-classical Boltzmann theory. The low-dimensional and strain effects on these properties have been studied. The properties have been investigated on 001-, 110- and 111-oriented Mg2Si monocrystalline films, and on polycrystalline Mg2Si film. Only the 110-oriented monocrystalline film has been found to have interesting thermoelectric properties. Three types of strains have been investigated: uniaxial, biaxial and isotropic. Increasing the intensity of the strain on Mg2Si induces a shift of the power factor (PF) maximum towards low temperature. Compared with unstrained Mg2Si, the Seebeck coefficient (S) increases only under isotropic strain. We evidence an equivalence in the thermoelectric properties between Mg2Si material constrained in the [110] direction and the 110-oriented Mg2Si film. Isotropic tensile strains have been modeled by inserting Sb atoms in bulk Mg2Si leading to the stuctures Mg2Si:Sb, Mg2Si:3Sb and Mg2Si:4Sb. Only Mg2Si:4Sb is found to induces such type of constraints. The effects of the Sn for Si substitutions in bulk Mg2Si are very similar to those observed for Mg2Si subjected to uniaxial and biaxial tensile strains. For (110)-oriented Mg2Si1−xSnx films S of the n−doped material outperforms that of the bulk Mg2Si and bulk Mg2Si1−xSnx. Regarding nanostructures, the Mg2Si/Mg2Sn superlattice is most interesting as a p-doped material at low carrier concentration/low temperature. The stick assemblage is best as a n-doping material at low carrier concentration/low temperature where its PF is almost twice as high as that of bulk Mg2Si.

Die vorliegende Arbeit beschreibt den Verlauf der Forschung von der Entwicklung einer neuartigen Methode der gepulsten Laser-Plasmaabscheidung (PLD) über die Untersuchung der ternären In- und Al-Legierungssysteme von metastabilem orthorhombischen κ-Ga2O3 auf der Basis dieser Methode hin zu Multi-Quantengraben (QW) Supergitter (SL) Heterostrukturen für transparente Quantengrabeninfrarotphotodetektoren (QWIPs). Im ersten Teil wird die Methode, welche vertical continuous composition spread (VCCS) PLD genannt wird, eingeführt und am MgxZn1−xO Legierungssystem erprobt. Die Methode erlaubt die Kontrolle der Komposition von Dünnfilmen über die radiale Position des PLD Laserspots auf der Targetoberfläche. Das ist eine wichtige Voraussetzung für die Bestimmung der kompositionsabhängigen Eigenschaften der Legierungssysteme und für präzise Profile der physikalischen Eigenschaften in Wachstumsrichtung für das Design von Bauelementen. Die Dünnfilme mit 0 ≤ x ≤ 0.4 zeigen die gleichen Eigenschaften wie solche, die mit Standard-PLD abgeschieden wurden. Numerische Modelle werden präsentiert, welche die Dünnfilmkomposition exakt vorhersagen. Im zweiten Teil werden κ-Ga2O3 Dünnfilme durch die Beigabe von Zinn während des PLD Prozesses stabilisiert. Die Dünnfilme weisen hohe kristalline Qualität, glatte Oberflächen und große Bandlücken (Eg ≈ 4.9 eV) auf. Ein Wachstumsmodell wird präsentiert, welches Zinn als Oberflächenschicht beschreibt. Im dritten Teil werden die In- und Al-Legierungssysteme von κ-Ga2O3 mittels VCCS PLD untersucht. Die Löslichkeitsgrenzen xIn <~ 0.35 und xAl <~ 0.65 sind die höchsten bislang berichteten. In- und out-of-plane Gitterkonstanten wurden in Abhängigkeit der Zusammensetzung bestimmt und Eg konnte von 4.1 eV bis 6.4 eV variiert werden. Die Position des Valenzbandmaximums wird als unabhängig von der Komposition gezeigt, womit die Variation in Eg den Leitungsbandunterschieden gleicht und Detektionsbereiche vom fernen IR bis in das Sichtbare für QWIP-Anwendungen bedeutet. Berechnungen anhand dieser Ergebnisse ergeben Polarisationsladungsdichten an Grenzflächen von Heterostrukturen gleich oder höher derer im etablierten AlGaN/GaN System, welche wichtig zur Polarisationsdotierung zur Besetzung des Grundzustandes in QWIPs sind. Dies bestätigt das große Potential der κ-Phase. Im letzten Teil werden erste kohärent gewachsene κ-(AlxGa1−x)2O3/Ga2O3 SL Strukturen untersucht. Glatte Grenzflächen im Bereich weniger Monolagen werden gezeigt und es konnten kritische Dicken für die κ-Ga2O3 QW Schichten bestimmt werden, die für QWIP-Anwendungen genügen. / The presented thesis describes the research path from the development of a novel pulsed laser deposition (PLD) technique over the exploration of the ternary In- and Al-alloy systems of metastable orthorhombic κ-Ga2O3 employing this technique towards multi-quantum well (QW) superlattice (SL) heterostructures for solar-blind quantum well infrared photodetector (QWIP) applications. In the first part, the PLD technique called vertical continuous composition spread (VCCS) PLD employing radially-segmented targets is established and tested on the well-known MgxZn1−xO alloy system. The technique enables direct control of the chemical composition of thin films by a variation of the radial position of the PLD laser spot on the target surface. This is a prerequisite for a discrete compositional screening of alloy properties and the exact tailoring of physical parameters in growth direction for heterostructure device design. The resulting thin films with 0 ≤ x ≤ 0.4 exhibit the same quality as thin films deposited by standard PLD and numerical models are presented that precisely predict the thin film composition. In the second part, κ-Ga2O3 thin films are stabilized by the addition of tin in the PLD process. The thin films show a high crystalline quality, smooth surfaces and large bandgaps (Eg ≈ 4.9 eV). A growth model is proposed based on tin acting as surfactant. In the third part, the In- and Al-alloy systems of κ-Ga2O3 are explored by VCCS PLD. Solubility limits of xIn <~ 0.35 and xAl <~ 0.65 are the highest reported to date. In- and out-of-plane lattice constants were determined as function of alloy composition and bandgap engineering from 4.1 eV to 6.4 eV is feasible within these limits. The energetic position of the valence band maximum was found independent on chemical composition such that the change in bandgap equals the conduction band offset rendering wavelength ranges from far IR to the visible spectral range in QWIP applications possible. Calculations based on these results found polarization charge densities at the interfaces of corresponding heterostructures on par or larger than for the established AlGaN/GaN system important for polarization doping to populate the ground state in QWIPs. This corroborates the high potential of the κ-phase. In the last part, first coherently grown κ-(AlxGa1−x)2O3/Ga2O3 SL heterostructures are presented. Smooth interfaces of the order of a few monolayers are confirmed and critical thicknesses for coherent growth of the Ga2O3 QW layer are found to be sufficient for QWIP applications.

<p>Shape memory alloys (SMAs) belong to an important class of active materials. Beyond shape memory, these alloys exhibit super-elasticity and pseudo-plasticity, all originating from a reversible phase transformation from a high-temperature austenitic phase to a low temperature martensitic phase. Their unique thermo-mechanical properties make these SMAs desirable for a wide range of applications in automobiles, robotics, aerospace, construction, and medicine. Only a fraction of the known metallic alloys exhibits martensitic transformations, and a relatively small subset exhibits shape memory. Given this limited pool of SMAs, tunability of this martensitic transformation and, hence, thermo-mechanical properties is a way to move forward for effectively designing the next-generation SMAs for specific applications. The modification in composition has always been at the heart of designing new SMAs for future applications. However, a relatively recent discovery of incorporating a second non-transforming phase in base martensitic materials to tune martensitic transformation to achieve unprecedented thermo-mechanical properties has shown great promise.</p><p><br></p><p>The objective of this work is to utilize the second phase to provide design guidelines for next-generation SMAs and to understand the detailed physics behind the experimentally observed unprecedented thermo-mechanical properties in SMAs as a result of the incorporation of coherent second phases. We first investigate Mg-Sc shape memory alloys that are attractive for a wide range of applications due to their low density. Unfortunately, the use of these alloys is hindered by a low martensitic transformation temperature (173 K). We observe from first-principles calculations that epitaxial strains arising from appropriate substrate or coherent second phase selection increase the martensitic transformation and operational temperature to room temperature. Next, we develop a novel approach to induce martensitic transformation in composite systems of two non-transforming materials. While we demonstrate this approach for the technologically relevant ultra-lightweight Mg/MgLi superlattices, however, our approach is general and will open a wide material space for the discovery and design of next-generation SMAs.</p><p><br></p><p>Finally, to bridge the gap between computationally studied single-crystalline materials and experimentally studied polycrystalline systems, we characterize the role of nanoscale precipitates on temperature- and stress-induced martensitic phase transformation in nanocrystalline Ni63Al37 SMAs using multi-million-atoms molecular dynamics simulations. Simulations provide the understanding of underlying atomistic mechanisms of experimentally observed unprecedented thermo-mechanical properties and the guidelines to design low-fatigue ultra-fine grain shape memory alloys. As a result of the exploration of novel thermomechanical properties in SMAs via coherent second phases, we also published a software package</p><p>to discover coherent precipitates within a base multi-component system by coupling highthroughput equilibrium thermodynamics calculations with strain-based lattice matching.</p>

Comme de nombreux colloïdes, des nanoparticules métalliques recouvertes de ligands en suspension s’organisent au-delà d’une fraction volumique seuil et forment ce que l’on appelle un « supracristal ». Ce sont ainsi des systèmes modèles, déjà largement étudiés à partir de suspensions dans des solvants volatils, qui permettent de mieux comprendre l’auto-assemblage de sphères déformables. Les interactions qui conduisent à l’auto-assemblage sont couramment décrites par une compétition entre une attraction de van der Waals entre les cœurs métalliques et une répulsion entre les ligands qui va dépendre de l’affinité entre les ligands et le solvant. Un effet du solvant a déjà été observé sur l’auto-organisation de nano-objets. En mesurant par diffusion de rayons X aux petits angles le facteur de structure de suspensions de nanoparticules d’or greffées, j’ai pu sonder de façon systématique les interactions entre des nanoparticules en suspension avec plusieurs tailles de cœur, des ligands alcane-thiols de longueur différente et dans différents solvants à la fois volatils et non volatils. J’ai ainsi pu mettre en évidence une interaction attractive inattendue dans des alcanes linéaires flexibles et dont l’intensité augmente avec la longueur de l’alcane. Pour corréler les interactions entre particules à leur diagramme de phase, j’ai suivi le processus de cristallisation dans des suspensions en solvant volatil ou partiellement volatil ainsi qu’en émulsion, techniques qui permettent d’augmenter lentement la concentration en nanoparticules. Les interactions attractives induites par le solvant contribuent ainsi à la formation de supracristaux à de très faibles fractions volumiques. A de fortes concentrations, la structure des supracristaux ne dépend pas du solvant utilisé mais, à forte densité de greffage, du rapport R entre la longueur des ligands et le diamètre du cœur d’or. Pour un rapport R voisin de 0.7, la structure finale observée est cubique centrée, la structure à concentration intermédiaire étant cubique à faces centrées. Pour un rapport R deux fois plus petit, une structure originale a été mise en évidence. Il s’agit d’une structure hexagonale de grand paramètre de maille, analysée comme une phase de Frank et Kasper de type MgZn2 ou C14. C’est la première fois qu’une telle phase à empilement local tétraédrique est observée dans un système de sphères monodisperses molles. L’existence de cette phase ainsi que le rôle du rapport R a pu être interprétée en estimant quantitativement la compétition entre l’attraction de van der Waals forte et l’entropie des ligands. / As many colloids, metallic nanoparticles grafted with hydrophobic ligands self-assemble above a volume fraction threshold and thus build superlattices. These model systems, which are widely studied when suspended in volatile oils, enable a better understanding of soft spheres self-assembly.Interactions which lead to self-assembly are commonly described by the combination of van der Waals attraction with interaction between the ligand shells. The shell behavior is controlled by the ligand affinity with the solvent. An effect of the solvent on the self-assembly of nanoparticles has already been observed. Using a small angle X-ray scattering, I measured, through the structure factor, the interactions between gold nanoparticles grafted with alkanethiols in different oils, at various concentrations, for different lengths of ligands and core diameters. I noticed an attractive interaction when using flexible linear alkanes as solvent. It has also been shown that the attraction intensity increases with the solvent length.In order to correlate the interactions between particles to their phase diagram, I studied the crystallization process by concentrating nanoparticles using evaporation in capillaries or Ostwald ripening in emulsions. I showed that attractive interactions induced by the solvent lead to superlattices formation at very low volume fractions.At high concentrations, the superlattice structure depends on the ratio of the ligand length over the gold core diameter. For a ratio around 0.7, the final structure observed is body centered cubic, whereas at lower concentration, it is face centered cubic. When this ratio is halved, an unexpected structure is observed. It is a hexagonal structure with a large lattice parameter. It has been analyzed as a Frank and Kasper’s phase named MgZn2 or C14. It is the first time that this topologically close-packed structure is observed for monodisperse soft spheres. The existence of this phase and the role of the ratio R have been interpreted by considering quantitatively the competition between ligands entropy and the strong van der Waals attraction.

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Diese Dissertation konzentriert sich auf die Untersuchung der Schwingungs- und exzitonischen Eigenschaften von zweidimensionalen Übergangsmetall-Dichalkogeniden (TMDCs) unter Verwendung von mikro- und nanooptischer Spektroskopie. Im ersten Teil der Arbeit wird Mikro-Raman-Spektroskopie verwendet, um die Schwingungseigenschaften von 2D-TMDC-Homo- und Heterostrukturen zu untersuchen, mit dem Ziel, die Hochfrequenz-Raman-Signatur für die Wechselwirkung zwischen den Schichten und die Gitterdynamik zu erforschen. Basierend auf einer systematischen Raman-Studie, unterstützt durch Photolumineszenz- (PL) und Topographie-Untersuchungen an nicht gekoppelten und gekoppelten TMDC-Doppellagen, wird die aus der Ebene herausragende $B_{2g}$-Schwingungsmode experimentell als ein charakteristischer Raman-Fingerabdruck zur Einschätzung der Wechselwirkung zwischen den Schichten in 2D-TMDC-Systemen erklärt. Darüber hinaus wird anhand eines Beispiels mit verdrehter Doppellage (tB) von WSe$_2$ als typisches TMDC gezeigt, dass das Raman-Intensitätsverhältnis der beiden Peaks $I_{B_{2g}}/I_{{E_{2g}}/{A_{1g}}}$ mit der Entwicklung der Moiré-Periode korreliert. Mit einer Reihe temperaturabhängiger Raman- und Photolumineszenz-Messungen sowie \textit{ab initio}-Berechnungen wird das Intensitätsverhältnis $I_{B_{2g}}/I_{{E_{2g}}/{A_{1g}}}$ als Signatur der Gitterdynamik in tB-WSe$_2$-Moiré-Übergittern erklärt. Durch die weitere Untersuchung verschiedener Materialkombinationen von verdrehten Hetero-Doppellagen werden die Ergebnisse auf alle Arten von Mo- und W-basierten TMDCs erweitert. Im zweiten Teil der Dissertation wird die spitzenverstärkte Photolumineszenz-Spektroskopie (TEPL) eingesetzt, um die konventionelle optische Auflösungsgrenze zu überwinden und die konkurrierenden Mechanismen der lokalen Photolumineszenz-Dämpfung und -Verstärkung an 2D-TMDC/hBN/Plasmonik-Grenzflächen zu verstehen. Durch den Vergleich verschiedener Nahfeldemissions-Eigenschaften und TEPL-Spektren in Abhängigkeit von der Spitzen-Proben-Entfernung an einer komplexen Monolagen-MoSe$_2$/hBN/NT/SiO$_2$-Probe werden die lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR), die Elektronen-Dotierung und der Tunneltransport sowie hochlokalisierte Belastung als dominierende Faktoren für die lokale PL-Dämpfung und -Verstärkung identifiziert.

No / The latest advances in mesocrystal formation and non-classical crystallization of pre-synthesised nanoparticles have been reviewed with the focus on providing a fuller description of a number of complex systems and their properties and applications through examination of the crystallisation mechanisms at work. Two main crystallization principles have been identified; classical crystallization and particle based aggregation modes of non-classical pathways. To understand the non-classical pathways classical crystallization and its basics are introduced before non-classical pathways, such as oriented attachment and mesocrystal formation, are examined. In particular, the various destabilization mechanisms as applied to the pre-synthesized building blocks in order to form mesocrystalline materials as well as the interparticular influences providing the driving forces are analyzed and compared to the mechanisms at work within classical crystallization. Furthermore, the new properties of the mesocrystalline materials that derive from the collective properties of the nanoparticular building units, and their applications potential are presented. It is shown that this new class of materials has the potential to impact in a number of important areas such as sensor applications, energy conversion, photonic crystals as well as for energy storage, optoelectronics and heterogeneous catalysis or photocatalysis.

This work deals with the structural and dielectric properties of Bariumtitanate (BTO) / Strontiumtitanate (STO) superlattices. The investigations were carried during the research for a doctoral thesis on the IFW Dresden, Institute for Metallic Materials (under supervision of Prof. Schulz). These multilayers have been prepared on single crystalline STO of (100) and (111) orientated substrates. All films where grown in an epitaxial mode. Additional superlattices and Bariumstrontiumtitanate (BSTO) thin films on silicon substrates with platinum bottom electrodes have been prepared. Thereby, (111) fibre-textured polycrystalline superlattices were produced. According to our knowledge this result was achieved for the first time (is unique in the world at the moment). According to high resolution TEM investigations of (001) oriented superlattices multilayers with atomically thin interfaces without noticeable interdiffusion have been prepared. XRD pattern of a multilayer consisting of BTO and STO monolayers that have only a thickness adequate one unit cell of BTO respective STO confirm this assumption. Multilayers on (111) oriented STO substrates show a much higher interface roughness than (001) orientated films. Regarding to the examinations in this thesis it is suggested that the roughness is correlated with the reduction of internal stresses by deformation of the stack and not with interdiffusion between the monolayers. For electrical measurements the film thickness has been varied from 30 nm to 300 nm and the periodicity in the range from 0.8 nm to 20 nm. Additionally, BSTO films of equivalent thickness and integral chemical composition were produced. Dielectical measurements were carried out in the temperature range from 20 K to 600 K and hysteresis measurements were done. It has to be pointed out, that multilayers have always lower dielectrical performances then BSTO films. In all cases the dielectric constant (DC) decreases with decreasing film thickness. Multilayers of a small periodicity show the highest DC?s, decreasing with increasing monolayer thickness in all cases. The maximum of DC shifted with decreasing film thickness to higher temperatures thus correlating with an increase of the out of plane lattice parameter. In this paper the mismatch between the stack respectivly the BSTO layers and the substrate has widely been discussed. In the case of BSTO the dielectric data can be qualitatively explained with the theory of strained films, developed mainly by Pertsev, under the assumption of a strain gradient in the thin film. Strain effects do also play an important role in ferroelectric multilayers as well as size and coupling effects between the monolayers. An adequate theory for the description of the dielectric behaviour of the ferroelectric superlattice produced during this research does yet not exist. Some thesis where pointed out, which effects have to be essentially included in to a consistent theory of ferroelectric multilayer. Some practical tips are also given, how to prepare monolayers and superlattices with very high DC and exellent hysteretic behaviour. / Es wurden (001) und (111) orientierte symmetrische BTO/STO-Multilagen auf niobdotierten STO-Einkristallen abgeschieden. Hierbei wurde sowohl die Gesamtschichtdicke, als auch deren Periodizität variiert. Zum Vergleich wurden weiterhin Ba0.5Sr0.5TiO3-Mischschichten unterschiedlicher Dicke präpariert. Aus den HRTEM und XRD Untersuchungen kann geschlossen werden, dass alle erhaltenen Schichten sowohl phasenrein als auch perfekt biaxial texturiert sind. Im Falle der (001) orientierten Multilagen konnten atomar scharfe Grenzflächen zwischen Einzellagen erhalten werden, wobei sich die Einzellagendicke bis auf eine Monolage (0.4 nm) reduzieren lässt. Aus der Schichtdickenabhängigkeit von d(001), dem mittleren out-of-plane Gitterparameter der Schicht, wird geschlossen, dass die Schichten auf den STO-Einkristallen Spannungsgradienten in den Schicht-normalen besitzen und an der Grenzfläche zum Substrat am stärksten verspannt sind. Die (111) orientierten Multilagen auf den STO-Einkristallen zeigen gegenüber den Schichten auf den (100) orientierten STO-Einkristallen eine deutlich erhöhte Interfacerauhigkeit. Vermutet wird, dass dies einerseits durch die andere kristallographische Orientierung der Wachstumsnormalen bedingt ist, weil damit jeweils keine geschlossenen SrO- bzw. BaO- und TiO3-Lagen ausgebildet werden. Andererseits zeigen die TEM-Aufnahmen eine deutliche Zunahme der Welligkeit der Einzellagen mit wachsendem Abstand vom Substrat, die rein mechanischen Effekten zugeschrieben wird. Die Verwölbung der Einzellagen könnte damit der Reduzierung der mechanischen Energie innerhalb des Systems dienen, wobei die Netzebenen dem Verlauf der Einzellagen folgen. Auf platinbeschichteten Siliziumsubstraten konnten erstmals phasenreine (111) fasertexturierte Mischschichten und BTO/STO-Multilagen abgeschieden werden. Grundlage hierfür war die Optimierung des Pt/Ti/SiO2/Si Schichtsystems hinsichtlich seiner thermischen Stabilität bis zu 800°C. Die Textur der Schichten wird von der Platingrundelektrode übernommen und deren Rauhigkeit teilweise verstärkt. Eine mechanische Verwölbung der Einzellagen konnte hier nicht beobachtet werden. Für die elektrischen Messungen wurden auf allen Schichten etwa 50 nm dicke Platinelektroden durch eine Hartmaske mittels Elektronenstrahlverdampfung im Hochvakuum bei etwa 300°C aufgebracht. Anschließend wurden die Schichten an Luft getempert, um das Sauerstoffdefizit, dass sich bei der Elektrodenabscheidung einstellt, auszugleichen. Die elektrischen Messungen zeichnen sich durch den sehr großen untersuchten Temperaturbereich aus. Temperaturabhängige Messungen im Bereich von 30-600 K finden sich für ferroelektrische Dünnschichten sehr selten in der Literatur und stellen für BTO/STO-Multilagen ein Novum dar. Auch die biasabhängige und teilweise auch temperaturabhängige Messung der Kapazität der Multilagen (C-V-Messungen) ist bisher einmalig. Durch die temperaturabhängigen Hysteresemessungen wurden Einblicke in den elektrischen Polungszustand der Schichten erhalten. Dadurch wird eine sinnvolle Interpretation der &amp;amp;#949;(T)-Kurven erst möglich. Der Vorteil der Integration des Polarisationsstromes unter Verwendung einer Dreieckspannung als Messsignal besteht in der direkten physikalischen Aussage der Strom-Spannungskurven über die Schaltspannung der Schichten.

Nanopartikel auf Basis von NaYF4 erfreuen sich großer Beliebtheit durch ihre vielseitigen Einsatzmöglichkeiten. Durch die Dotierung mit Ytterbium und Erbium im Wirtsgitter ist es beispielsweise möglich, niedrigenergetisches Infrarotlicht in höher-ergetisches, sichtbares Licht umzuwandeln. Zudem lässt sich NaYF4 auch im Nanometermaßstab präparieren, sodass ein Einsatz in Zellen oder lebenden Organismen möglich ist, wo die zur Anregung verwendete infrarote Strahlung ohne Probleme das Gewebe durchdringen kann. Zu Beginn dieser Arbeit zeigten aufwärtskonvertierende Nanomaterialien wie NaYF4 :Yb,Er jedoch auch nach Umhüllen mit einer inaktiven Schale aus undotiertem NaYF4 nur sehr geringe Lumineszenz-Quantenausbeuten und kurze Energieniveau-Lebenszeiten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Synthesemethode zur Herstellung von aufwärtskonvertierenden NaYF4 -Nanopartikeln durch den Einsatz neuer Eduktmaterialien modifiziert und die Auswirkung der Modifikationen auf die Partikeleigenschaften näher untersucht. So konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz einer alternativen Fluoridquelle (NaHF2) Partikel mit sehr engen Partikelgrößenverteilungen hergestellt werden können. Jedoch zeigte sich auch, dass die mit NaHF2 präparierten Partikel sich nicht mit einer Schale aus undotiertem NaYF4 umhüllen ließen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde daher der Fokus auf die Verbesserung der optischen Eigenschaften gelegt. Durch die Verwendung von getrockneten Lösungsmitteln und wasserfreien Seltenerdacetaten, sowie NH4F als Fluoridquelle gelang es erstmals, aufwärtskonvertierende Kern/Schale-Nanopartikel (<50 nm) mit einer sehr hohen Lumineszenz-Quantenausbeute, ähnlich dem des makrokristallinen Referenzmaterials, herzustellen. Auch bei sehr kleinen Kern/Schale-Partikeln (≤15 nm) konnten Quantenausbeuten erzielt werden, die nur um einen Faktor 3-4 niedriger sind als beim Referenzmaterial. Dabei zeigte sich durch die Messung der Energieniveau-Lebenszeiten, dass die größten Verlustprozesse durch die Yb3+ Emission bei 940 nm auftraten und diese durch aufbringen einer Schale unterbunden werden konnten.