The thesis describes the synthesis of chromatographic media using several different approaches, their characterizations and applications in liquid chromatography. The steps to achieve a separation column for a specific analyte are presented. The main focus of the study was the design of novel molecularly imprinted polymers. Attachment of monolithic polymeric substrates to the walls of fused silica capillaries was studied in Paper I. With a broad literature survey, a set of common methods were tested by four techniques and ranked by their ability to improve anchoring of polymers. The best procedure was thus used for all further studies. Synthesis of monoliths in capillary columns was studied in Paper II. With the goal of separating proteins without denaturation, various monoliths were polymerized in situ using a set of common monomers and cross-linkers mixed with poly(ethylene glycol) as porogen. The resulting network was expected to present “protein-friendly pores”. Chemometrics were used to find and describe a set of co-porogens added to the polymerization cocktails in order to get good porosity and flow-through properties. Assessment of the macroporous structure of a monolith was described in Paper III. An alternative method to mercury intrusion porosimetry was proposed. The capillaries were embedded in a stained resin and observed under transmission electron microscope. Images were then computed to determine the pore sizes. Synthesis of molecularly imprinted polymers grafted to a core mono-lith in a capillary was described in Paper IV. The resulting material, imprinted with local anaesthetics, was tested for its chromatographic performance. Similar imprinted polymers were characterized by microcalorimetry in Paper V. Finally, imprinted monoliths were also synthesized in a glass tube and further introduced in a NMR rotor to describe the interactions between stationary phase and template in Paper VI.

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In-situ polymerization is one of the most efficient methods for production of polymer clay nanocomposites. In-situ polymerization of olefins using coordination catalysts is a type of heterogeneous polymerization. In order to achieve acceptable clay nanolayer dispersion in the polyolefin matrix, the clay layer exfoliation and particle break up during the polymerization are essential requirements. A literature review on polyolefin/clay nanocomposite is given in Chapter 2. In Chapter 3, we present a new mathematical model, which is as an extension of the multigrain model (MGM), to describe the intercalative polymerization and expansion of clay interlayer spaces during polymerization using clay-supported metallocenes. The results from the model show that, under the studied conditions, mass transfer is not a strong factor controlling clay exfoliation and particle break up. If the polymerization active sites are supported uniformly on all clay surfaces, effective exfoliation will be achieved after a relative short polymerization time. In practice, obtaining good dispersion of clay nanolayers with uniform properties requires that the active sites be exclusively located on the clay nanolayer surfaces, and not extracted by the solvent to form a homogeneous solution. Factors favouring active site extraction would result in nanocomposites with poor properties. In addition, high polymerization activities, stable polymerization runs, and ease of supporting are other criteria for a successful in-situ polymerization. For this purpose we established a catalyst supporting method by which most of these requirements were met. In this method, the water content on the clay surface, which is considered as poison for the metallocene catalyst, was used to produce MAO upon reaction with trimethylaluminum (TMA). Using this method, polymerization was highly active in absence of MAO cocatalyst, knowing that MAO cocatalyst promotes active site extraction from the clay surface and results in poor powder morphology. Chapter 4 describes the development of this supporting methodology. Chapter 4 also investigates the effect of the organic modification type existing on the clay surface on the success of catalyst supporting and in-situ polymerization. We found that using the proposed supporting procedure, only tertiary ammonium type modification enhanced the in-situ polymerization, whereas the quaternary ammonium worsened the catalyst supporting efficiency and led to catalyst with poor or no polymerization activity. It is suggested that, in addition to enhancing clay surface-organic solvent compatibility (which facilitates catalyst supporting), the tertiary ammonium cation reacts with the in-situ produced MAO and increases the stability of the cocatalyst bonded to the clay surface. The effect of different polymerization conditions on the polymerization behavior and nanocomposite structural properties, such as catalyst loading during supporting, polymerization temperature and triisobutylaluminum (TIBA) concentration, were studied in Chapter 5. It was found that TIBA acts merely as scavenger. High polymerization activities were obtained with low Al/Zr ratios (Al from TIBA) and increased Al concentration decreased the polymerization activity and also the quality of powder morphology. Catalyst loading in the supporting step showed to have an important role in determining the final properties. The clay particles with higher catalyst loading resulted in better exfoliation and powder morphologies The effect of solvent type during catalyst supporting and polymerization was studied in Chapter 6. It was shown that catalyst supporting in n-hexane resulted in polymerizations with higher activities and polymers with higher molecular weight were produced. Polymerization with catalyst supported in hexane showed different ethylene uptake profiles, suggesting different mechanism of exfoliation. It is suggested that using this catalyst, the clay is mostly exfoliated before polymerization started. Similar to the original clay, the catalyst supporting efficiency on the organically modified clay was close to 100 percent. However, comparing the polymerization activities of these catalysts to those that were supported directly in the reactor just before the polymerization (in-reactor, or in-situ, supported catalysts) shows that a considerable fraction of the active sites are deactivated during the prolonged contact between catalyst and clay support surface. In Chapter 5, it was shown that the in-reactor supported catalyst had considerably higher polymerization activities, up to 40 percent of that of the homogeneous catalyst. Nanocomposites made with in-reactor supported catalysts had powder morphology and nanaolayer dispersion comparable to those made with clay-supported catalysts.

Functionalized nanoparticles provide a wide range of potential applications for Biological Mass Spectrometry (MS). Particularly, we have studied the effects of chromophore activity on the performance of gold nanoparticles (AuNPs) capped with substituted azo (-N=N-) dyes for analyte ion production in Laser Desorption Ionization Mass Spectrometry (LDI-MS) conditions. A series of aromatic thiol compounds were used as Self-Assembled Monolayers (SAM) to functionalize the surface of the AuNPs. Results indicate that AuNPs functionalized with molecules having an active azo chromophore provide enhanced analyte ion yields than the nanoparticles capped with the hydrazino analogs or simple substituted aromatic thiols. We have also conducted experiments using the azo SAM molecules on 2, 5, 20, 30, and 50 nm AuNPs exploring the changes of Relative Ion Yield (RIY) with increased AuNP diameters. Our results indicate that the role of the SAM to drive energy deposition decreases as the size of the AuNP increases. It was determined that 5 nm is the optimum size to exploit the benefits of the SAM on the ionization and selectivity of the AuNPs.

Tunnelmagnetowiderstandselemente (MTJ) mit einer kristallinen MgO Tunnelbarriere zwischen amorphen CoFeB-Elektroden haben Aufgrund ihres hohen Tunnelmagnetowiderstandes (TMR) und der guten Integrationsmöglichkeit in bestehende Prozesse viel Aufmerksamkeit bekommen. Dabei zeigten vorherige Berechnungen, dass die strukturellen und chemischen Eigenschaften der Grenzfläche einen signifikanten Einfluss auf den TMR aufweisen, weshalb diese Grenzfläche im Rahmen dieser Arbeit mittels quantitativer, hochauflösender und analytischer Transmissionselektronenmikroskopie analysiert wurde. Um einen hohen TMR in die diesen Systemen zu erzielen ist ein kristalliner Übergang zwischen der Tunnelbarriere und den Elektroden notwendig. Berechnungen zeigten, dass bereits wenige Monolagen kristallinen Materials an der Grenzfläche ausreichen, um einen hohen TMR in diesen Systemen zu erzielen. Ausgehend von diesen Berechnungen wurde die Mikrostruktur auf der Subnanometer-Skala an der kristallin/amorphen Grenzfläche von MgO-CoFeB in dieser Arbeit untersucht. Die experimentellen Daten wurden hierfür mittels aberrationskorrigierter, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) an Modellsystemproben erstellt und die vom MgO induzierte kristalline Ordnung an der Grenzfläche zum CoFeB mittels iterativen Bildserienvergleichs mit simulierten Daten quantifiziert. Zur Simulation der HRTEM-Grenzflächenabbildungen wurde die „Averaged-Projected-Potential“-Näherung genutzt, welche im Rahmen dieser Arbeit um die Berücksichtigung von monoatomaren Stufen entlang der Strahlrichtung des Mikroskops erweitert wurde. Es zeigte sich, dass mit dieser Methode die Ordnung an der MgO-CoFeB-Grenzfläche von nicht ausgelagerten Systemen gut beschrieben werden kann. In ausgelagerten Systemen kommt es dagegen zu einer Bor-diffusion aus dem a-CoFeB heraus um damit eine Kristallisation am MgO zu ermöglichen. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden die Bordiffusion und die Kristallisation in Abhängigkeit von der Deckschicht als auch der MgO-Depositionsmethode sowohl an Modellsystemproben als auch an funktionsfähigen MTJs untersucht. Elektronen-Energie-Verlustspektroskopie (EELS) an diesen Proben konnten zeigen, dass sowohl die Deckschicht also auch die MgO-Depositionsmethode einen entscheidenden Einfluss auf die Bor-Diffusion in diesen Systemen ausüben.

Die Dunkelfeld off-axis Elektronenholographie (DFH) im Transmissionselektronenmikroskop ist eine nanoskalige Interferometriemethode, die es erlaubt, eine ausgewählte Beugungswelle eines Kristalls aufzuzeichnen und anschließend als zweidimensionale Amplituden- und Phasenverteilung zu rekonstruieren. Da sich aus dem Gradientenfeld der Phasenverteilung geometrische Verzerrungen des Kristallgitters bestimmen lassen, ermöglicht die DFH, Deformationsfelder in Kristallen zu vermessen. Damit eröffnen sich der Halbleiterindustrie vielversprechende Analysemöglichkeiten von lokalen mechanischen Verspannungen in Halbleiterkristallen insbesondere im Kanalbereich von Transistoren. Dabei verspricht die DFH eine höhere Ortsauflösung als rasternde, auf Elektronenbeugung mit möglichst fein fokussierten Elektronensonden basierende Methoden wie Nanobeugung. Jedoch steht die DFH als Analysemethode für mechanische Verspannungen bisher noch nicht standardmäßig zur Verfügung. Forschungs- und Entwicklungsbedarf besteht insbesondere hinsichtlich der Anpassung der Methodik auf kompliziertere Halbleiterstrukturen. Am Beispiel des Elementargitters wird demonstriert, wie einerseits die Gitterverzerrung die Phase der Beugungswelle moduliert, und wie andererseits aus dem Gradient der Phase diese Deformation wieder rekonstruiert werden kann. Zusätzlich wird die Modulation der Beugungswelle mit Hilfe eines erst kürzlich veröffentlichten analytischen Modells für den Zweistrahlfall erläutert. Spezielle Anpassungen der DFH im TEM erlauben, die geometrische Phase entweder mit 3...5 nm Lateralauflösung bei 200 nm breitem Gesichtsfeld oder mit 8...10 nm Lateralauflösung bei 800 nm breitem Gesichtsfeld aufzuzeichnen. Da die Deformationskarte durch numerische Ableitung der geometrischen Phase bestimmt wird, hängt die Signalauflösung der Deformationsmessung direkt von der Signalqualität in der rekonstruierten geometrischen Phase ab. Da die Ableitung das Rauschen verstärkt, werden verschiedene Strategien zur Rauschminderung und Signalverbesserung untersucht, u.a. werden Methoden zur Rauschfilterung eines DF-Hologramms oder zur Glättung der Deformationskarte vorgestellt. Durch Rekonstruktion einer gemittelten geometrischen Phase aus einer Dunkelfeldhologrammserie lassen sich Deformationen E mit einer Messabweichung von lediglich Delta_E=+/-0,05% bestimmen. Bei Aufzeichnung und Rekonstruktion der geometrischen Phase treten eine Reihe von Artefakten auf, die durch Fresnelsche Beugungssäume, defekte Detektorpixel sowie Verzeichnungen durch Projektivlinsen und Detektoroptik hervorgerufen werden. Da sie die Bestimmung der Deformationskarte erschweren, werden geeignete Methoden zur Vermeidung oder Korrektur vorgestellt. Die Präparation von TEM-Lamellen mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB) verursacht Schädigungen der Probenoberfläche. Durch Vergleiche von DFH-Messungen mit Finite-Elemente-Simulationen wird gezeigt, dass die auf Oberflächenrelaxation zurückzuführenden Abweichungen vom simulierten Deformationszustand bei 120...160 nm Lamellendicke bis zu 10% betragen können. Präparationsbedingte lokale Dickenvariationen (Curtaining) können zu ähnlich großen Abweichungen führen. Anwendbarkeit und Funktionalität der DFH werden an modernen Halbleiterstrukturen untersucht. Die Vermessung einer verspannten SiGe-Schicht auf Si-Substrat zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit einem analytischen Modell. Die Abweichung beträgt ca. 10% und kann durch Oberflächenrelaxation an der SiGe/Si-Grenzfläche erklärt werden. Mittels SiGe an Source und Drain verspannte Transistoren dienen als Testobjekte für einen Vergleich von DFH und Nanobeugung. Beide Methoden liefern identische Ergebnisse. Der Vorteil der DFH besteht jedoch darin, das Deformationsfeld vollständig in Form einer zweidimensionalen Karte abzubilden, anstatt wie die Nanobeugung lediglich einzelne Profilschnitte zu messen. Die Deformationsmessung an SOI-Strukturen wird durch die leicht unterschiedliche Kristallorientierung (Miscut) zwischen SOI und Si-Substrat, das als Referenzbereich dient, erschwert. Die Deformationswerte im SOI zeigen ein Offset von 0,2% Dehnung gegenüber dem Si-Substrat. Der Miscut zwischen SOI und Si-Substrat kann zu 0,3°bestimmt werden. Für Transistoren mit tensiler Deckschicht gelingt es, Dehnungen von +0,3% in perfekter Übereinstimmung mit FE-Simulationen zu messen. Bei Transistoren, bei denen gleichzeitig eine kompressive Deckschicht und SiGe an Source und Drain eingesetzt werden, gelingt es mittels DFH, Stauchungen von -(0,1+/-0,05)% im Transistorkanal 5 nm unterhalb des Gateoxids nachzuweisen. / Dark-field off-axis electron holography (DFH) in a transmission electron microscope is based on the interference of a diffracted wave emanating from adjacent strained and unstrained sample areas to form a dark-field hologram, from which the phase of the diffracted wave can be reconstructed. Since the gradient of the phase parallel to the diffraction vector yields the lattice strain in this direction, a two-dimensional strain map can be derived. Therefore, DFH is considered to be a promising technique for strain metrology by semiconductor industry, especially for local strain measurements in the transistor channel. In particular, DFH offers better lateral resolution than scanning TEM-techniques based on electron diffraction with small focused electron probe like nano-beam diffraction. However, DFH is not yet available as a standard technique for strain metrology. Research is still needed to apply the method to complex devices. Using the example of a strained cosine lattice the phase modulation due to lattice distortions is discussed. In addition, modulation of the diffracted wave is approximated in two-beam diffraction condition. Adjustments of DFH in the TEM provide strain measurements with 3...5 nm lateral resolution at 200 nm field of view or 8...10 nm lateral resolution at 800 nm field of view. During recording and reconstruction of dark-field holograms several artifacts appear, for instance Fresnel diffraction, defective detector pixels, distortions of projective lenses or detector optics. Since they limit strain evaluation, suitable methods to either avoid or correct these artifacts are discussed. Sample preparation with focused ion beam (FIB) causes surface damage. Comparing DFH results with finite-element simulations reveals a deviation of 10% between simulation and experiment at 120...160 nm sample thickness due to surface relaxation. FIB-induced thickness variations (curtaining) lead to comparable deviations. Applicability of DFH for strain metrology is analyzed on several modern device structures. Strain measurements of SiGe-layers on Si-substrate correspond quite well with an analytic model. A residual deviation of 10% can be explained by surface relaxation close to the SiGe/Si-interface. Transistors strained by SiGe-source/drain serve as test objects for a comparison of DFH with nano-beam diffraction. Though both techniques reveal identical results, DFH is able to map the complete two-dimensional strain field, whereas nano-beam diffraction can only provide single line-scans. Strain mapping in silicon-on-insulator (SOI) is limited by the different crystal orientation (miscut) between the SOI layer and the Si-substrate, which serves as reference. Strain values in the SOI show an off-set of 0.2% in comparison to the unstrained Si-substrate. The miscut between SOI and Si-substrate is estimated to 0.3°. In transistor devices with tensile stress overlayers DFH is able to measure +0.3% tensile strain in excellent agreement with finite-element simulations. In devices with compressive overlayers and SiGe-source/drain a strain value of only -(0.1+/-0.05)% can be determined in the transistor channel 5nm beneath the gate oxide.