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Dünne Filme aus konjugierten Molekülen werden vermehrt in der organischen Optoelektronik, Bio-Sensorik und Oberflächenmodifikationen eingesetzt. Jedoch steckt das nanoskopische Verständnis von elementaren Prozessen bzgl. des molekularen Wachstums, der Film-Stabilität und thermisch-mechanischer Eigenschaften noch in den Kinderschuhen. Im ersten Teil dieser Arbeit nutzen wir Echtzeit in situ spekulare und diffuse Röntgenstreuung in Kombination mit Kinetik-Monte-Carlo Simulationen, um die Nukleation und das Multilagen-Wachstum von C60 zu studieren. Wir quantifizieren einen konsistenten Satz von Energieparametern, die die Oberflächenprozesse während des Wachstums beschreiben: eine effektive Ehrlich-Schwoebel Barriere von EES = 110 meV, eine Oberflächendiffusions-Barriere von ED = 540 meV und die Bindungsenergie von EB = 130 meV. Durch die Analyse der Teilchendynamiken finden wir, dass die laterale Diffusion ähnlich derer von Kolloiden ist, jedoch weist die Stufenkanten-Diffusion eine atom-ähnlichen Schwoebel-Barriere auf. Außerdem haben wir für die erste Monolage ein thermisch-aktiviertes Dewetting nach dem Wachstum von C60 auf Mica mit einer effektiven Aktivierungsbarriere von (0.33 ± 0.14) eV für die Aufwärts-Diffusion beobachtet. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir die thermomechanischen Eigenschaften der supra-molekularen Anordnung von dem organischen Halbleiter PTCDI-C8. Temperaturabhängige GIXD-Experimente decken einen außergewöhnlich großen positiven und negativen thermischen Expansionskoeffizienten der Kristallstruktur auf. Die Moleküle vollführen kooperative rotierende Bewegungen als Reaktion auf die Temperaturänderung, die zu dieser anomalen thermischen Expansion führen. Unsere Beschreibung der Bewegungen einzelner adsorbierter Moleküle während des Wachstums und der kooperativen Bewegungen einzelner Moleküle in supra-molekularen Ensembles auf der molekularen Skala wird die weitere Arbeit auf dem Weg zu funktionalen molekularen dünnen Filmen beleben. / Thin films of conjugated molecules are increasingly used in organic optoelectronics, biosensing and surface modification. However, nanoscopic understanding of elementary processes regarding the molecular film growth, the stability of these films and regarding the thermal and mechanical properties of supra-molecular assemblies are in its infancy. In the first part of this thesis we use real-time in situ specular and diffuse X-ray scattering in combination with kinetic Monte Carlo simulations to study C60 nucleation and multilayer growth. We quantify a consistent set of energy parameters, which describe the surface processes during growth, yielding an effective Ehrlich-Schwoebel barrier of EES = 110 meV, a surface diffusion barrier of ED = 540 meV and a binding energy of EB = 130 meV. Analysing the particle-resolved dynamics, we find that the lateral diffusion is similar to colloids, but step-edge crossing is characterized by an atom-like Schwoebel barrier. Furthermore, a thermally-activated post-growth dewetting for C60 on mica has been observed for the first monolayer with an effective activation barrier for upward interlayer transport of (0.33 ± 0.14) eV. In the second part we investigate the thermomechanical properties of the supra-molecular assembly of the organic semiconductor PTCDI-C8. Temperature-dependent Grazing Incidence X-ray Diffraction (GIXD) experiments reveal extraordinary large positive and, surprisingly, negative thermal expansion coefficients of the thin film crystal structure. The molecules perform temperature-controlled cooperative rotational motions leading to the change of the molecular crystal structure at different temperatures. We hope that our molecular scale picture of the movement of single ad-molecules during growth and the cooperative motions of single molecules in supra-molecular ensembles will stimulate further work towards the optimized, rational design of functional molecular thin films and nanomaterials.

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In Gasturbinenbrennern kommen Nickelbasiswerkstoffe für thermisch hoch belastete Komponenten standardmäßig zum Einsatz. Die Bauteile liegen strömungstechnisch vor der stattfindenden Verbrennung, wodurch es zu einer stark einseitigen thermischen Belastung kommt. Ein wirtschaftlich effizienter Einsatz von Nickelbasiswerkstoffen kann daher in Kombination mit kostengünstigen warmfesten Stählen für die weniger stark thermisch belasteten Bauteilbereiche erreicht werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Prozessentwicklung zum Hochtemperaturlöten von im Brennerbau häufig verwendeten Nickelbasislegierungen und dem niedriglegierten warmfesten Stahl 16Mo3 (1.5415). Im Entwicklungsprozess wurden die Mikrostruktur der Verbunde charakterisiert, die Auswirkungen thermischer Ausdehnungsunterschiede evaluiert und die erreichbare Festigkeit erfasst. An einem Demonstrator wurden die Erkenntnisse im Rahmen der industriellen Fertigung getestet.:1 Einführung 1.1 Einleitung und Motivation 1.2 Stand von Wissenschaft und Technik 1.3 Schlussfolgerungen und Zielsetzung 2 Technologische Grundlagen 2.1 Der Hochtemperaturlötprozess 2.2 Thermische Ausdehnung 2.3 Diffusion 2.4 Metallurgische Prozesse 3 Experimentelle Durchführung 3.1 Grund- und Lotwerkstoffe 3.2 Lötprozesse und Probengeometrien 3.3 Mikrostrukturelle, thermische und mechanische Charakterisierung 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Mikrostrukturcharakterisierung 4.1.1 Grundwerkstoffe 4.1.2 Lötsystem 16Mo3 – INCONEL 625 4.1.3 Lötsystem 16Mo3 – Nimonic 75 4.1.4 Lötsystem 16Mo3 – Hastelloy X 4.1.5 Lötsystem 16Mo3 – INCONEL 718 4.1.6 Normalisierungsgefüge von 16Mo3 4.1.7 Zusammenfassung der Mikrostrukturcharakterisierung 4.2 Thermische Ausdehnung 4.2.1 Maßänderung 4.2.2 Eigenspannungen 4.3 Mechanische Eigenschaften 4.3.1 Zugversuch 4.3.2 Zugscherversuch 4.3.3 Ermittlung der kritischen Überlapplänge 4.4 Demonstrator 5 Zusammenfassung und Ausblick / Nickel-base alloys for thermally high loaded components are widely used for gas turbine burner parts. By means of flow direction burner parts are located prior to the combustion. They are therefore one-sided thermally loaded. An economical efficient use of nickel based alloys can be achieved in combination with low alloyed steels for thermally less loaded components. The aim of this work is the development of brazing processes for GT-burner manufacturing related nickel based alloys and the low alloyed steel 16Mo3 (1.5415) using nickel based filler materials. The development includes a microstructural characterization of the brazed compounds, the evaluation of thermal expansion behavior and the maximum strength. A final test examines the feasibility by means of industrial manufacturing.:1 Einführung 1.1 Einleitung und Motivation 1.2 Stand von Wissenschaft und Technik 1.3 Schlussfolgerungen und Zielsetzung 2 Technologische Grundlagen 2.1 Der Hochtemperaturlötprozess 2.2 Thermische Ausdehnung 2.3 Diffusion 2.4 Metallurgische Prozesse 3 Experimentelle Durchführung 3.1 Grund- und Lotwerkstoffe 3.2 Lötprozesse und Probengeometrien 3.3 Mikrostrukturelle, thermische und mechanische Charakterisierung 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Mikrostrukturcharakterisierung 4.1.1 Grundwerkstoffe 4.1.2 Lötsystem 16Mo3 – INCONEL 625 4.1.3 Lötsystem 16Mo3 – Nimonic 75 4.1.4 Lötsystem 16Mo3 – Hastelloy X 4.1.5 Lötsystem 16Mo3 – INCONEL 718 4.1.6 Normalisierungsgefüge von 16Mo3 4.1.7 Zusammenfassung der Mikrostrukturcharakterisierung 4.2 Thermische Ausdehnung 4.2.1 Maßänderung 4.2.2 Eigenspannungen 4.3 Mechanische Eigenschaften 4.3.1 Zugversuch 4.3.2 Zugscherversuch 4.3.3 Ermittlung der kritischen Überlapplänge 4.4 Demonstrator 5 Zusammenfassung und Ausblick

Diese Arbeit präsentiert eine umfassende in-situ Studie zur thermischen Ausdehnung von β-Ga2O3 im Temperaturbereich von Raumtemperatur (RT) bis 1200 K sowie zum Wachstum dünner Ga2O3 Schichten durch plasmaunterstützte Molekularstrahlepitaxie (MBE). Hierfür kamen synchrotron-basierte hochauflösende Röntgenbeugung (HRXRD) sowie die Beugung hochenergetischer Elektronen bei Reflexion (RHEED) zum Einsatz. Die dadurch erhaltenen Resultate gestatten detaillierte quantitative Aussagen zu den Ausdehnungskoeffizienten (CTE) von β-Ga2O3 und ein tieferes Verständnis des Wachstumsprozesses von Ga2O3 sowohl im Rahmen der Homo- als auch der Heteroepitaxie. / This thesis presents a comprehensive in-situ study on the thermal expansion of beta-Ga2O3 from room temperature (RT) to 1200 K, and the thin film growth of Ga2O3 as carried out by oxygen plasma assisted molecular beam epitaxy (MBE) using synchrotron-based high-resolution x-ray diffraction (HRXRD) and reflection high-energy electron diffraction (RHEED). The obtained results provide a quantitative analysis on the coefficients of thermal expansion (CTE) of beta-Ga2O3, and a deeper understanding in the growth process of Ga2O3 in both homoepitaxy and heteroepitaxy.