Die Untersuchung von III-V-Heterostruktur-Grenzflächen spielt aufgrund des starken Einflusses der Grenzflächen auf die Eigenschaften von Halbleiterbauelementen eine elementare Rolle. Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) hat sich als eines der geeignetsten Methoden für die Analyse von Grenzflächen erwiesen. Jedoch stellt die Interpretation von zweidimensionalen Projektionen, insbesondere bei dreidimensionalen (3D) Strukturen, eine Herausforderung dar, da die Information über die Tiefe in der Projektion verloren geht. In dieser Arbeit wird diskutiert, dass Grenzflächen als 3D Objekte gesehen werden können, insbesondere bei großen Rauheiten oder chemischen Durchmischungen. Zur Charakterisierung von vergrabenen III-V-Halbleitergrenzflächen wurde eine neue analytische Methode auf Basis der Elektronentomographie entwickelt. Diese Methode wird anhand eines (Al,Ga)As/GaAs-Mehrschichtsystems als Fallstudie vorgestellt. Es wird gezeigt, dass die tomographische Rekonstruktion von Grenzflächen ausgenutzt werden kann, um sogenannte Iso-Konzentrationsflächen zu erhalten, welche die Lage einer festgelegten Konzentration an der Grenzfläche beschreiben. Sie erlauben die Erstellung topographischer Höhenkarten, die die Rauheit von Grenzflächen visualisieren und ermöglichen die Bestimmung wesentlicher Grenzflächenparameter wie die quadratische Rauheit oder die lateralen und vertikalen Korrelationslängen. Zusätzlich wurden Isoflächen an unterschiedlichen Konzentrationsniveaus verwendet, um topographische Karten der Grenzflächenbreite zu erzeugen. Die Stärke der Methodik liegt in der Möglichkeit, alle chemisch-strukturellen Parameter von vergrabenen Grenzflächen mit einer einzelnen Tomographiemessung zu bestimmen. Die Applikation dieser neuen Grenzflächentomographie-Technik wird an unterschiedlichen Halbleitermaterialien für optische Anwendungen demonstriert: An einer (Al,Ga)As/GaAs-Mikrokavität, einem (Al,Ga)N/GaN-Bragg-Reflektor und einem 3D (In,Ga)N/GaN-Nanodraht. / The investigation of III-V heterostructure interfaces plays a key role in developing novel semiconductor devices due to the strong influence of interfaces on device characteristics. Transmission electron microscopy (TEM) has proven to be one of the most suitable tools for an interface analysis. The interpretation of two-dimensional projections can be challenging, especially for three-dimensional (3D) structures, since the depth information is lost in the projection. It is discussed in this thesis that interfaces can be seen as 3D objects, particularly when interfaces are subject to large roughnesses or chemical intermixing. A new analytical method for the comprehensive characterization of buried III-V semiconductor interfaces based on electron tomography was developed. This method is applied to an (Al,Ga)As/GaAs multilayer system as a case study. It is shown that the tomographic reconstruction of a tomography needle of this material can be exploited to obtain so-called iso-concentration surfaces. These surfaces describe the positions of a chosen concentration value at the interfaces. They enable the creation of topographic height maps revealing the roughness of several interfaces. The height maps allow the determination of essential interface parameters as the quadratic mean roughness or the lateral and vertical correlation lengths using the height-height correlation function. In addition, height-difference maps based on isosurfaces corresponding to different concentration levels were used to generate topographic maps of the interface width. The methodology’s main strength is the ability to determine all chemical-structural parameters of buried interfaces with a single measurement. This thesis presents the application of this new interfacial tomography technique on semiconducting materials used for optical application purposes: An (Al,Ga)As/GaAs microcavity, an (Al,Ga)N/GaN Bragg reflector and a complex, 3D (In,Ga)N/GaN multi-shell nanowire.

Correlative light and electron microscopy (CLEM) is a powerful approach to investigate the molecular ultrastructure of labeled cell compartments. However, quantitative CLEM studies are rare, mainly due to small sample sizes and the sensitivity of fluorescent proteins to strong fixatives and contrasting reagents for EM. Here, we show that fusion of a self-labeling protein to insulin allows for the quantification of age-distinct insulin granule pools in pancreatic beta cells by a combination of super resolution and transmission electron microscopy on Tokuyasu cryosections. In contrast to fluorescent proteins like GFP organic dyes covalently bound to self-labeling proteins retain their fluorescence also in epoxy resin following high pressure freezing and freeze substitution, or remarkably even after strong chemical fixation. This enables for the assessment of age-defined granule morphology and degradation. Finally, we demonstrate that this CLEM protocol is highly versatile, being suitable for single and dual fluorescent labeling and detection of different proteins with optimal ultrastructure preservation and contrast.

Die Synthese kolloidaler Nanopartikel ist daher eines der wichtigsten Forschungsthemen der letzten Jahre. Die gepulste Laserablation in Flüssigkeiten stellt eine Alternative zu den nasschemischen Synthesewegen dar. Merkmale der gepulsten Laserablation in Flüssigkeiten ist der geringe experimentelle Aufwand, die Vielseitigkeit und die Möglichkeit stabilisatorfreie kolloidale Nanopartikel herzustellen. Eine Weiterentwicklung ist die Verwendung von Pulversuspensionen als Ausgangsmaterial. Dies führt zu höheren Produktivitäten und neuen Materialien. Die zugrundeliegenden Prozesse sind allerdings komplex. Um diese Mechanismen aufzuklären, wurde ein chemischer Ansatz gewählt. Als Ausgangsmaterial wurden daher verschiedene Kupferverbindungen (Cu2C2, Cu5Si, Cu3N, Cu(N3)2, Cu3P, Cu2O, CuO, Cu2S, CuS und CuI) verwendet. Die hergestellten Nanopartikel wurden mit Hilfe der analytischen Transmissionselektronenmikroskopie charakterisiert. Dadurch konnten nachgewiesen werden, dass zwei Mechanismen an der Nanopartikelbildung beteiligt sind. Die Laserbestrahlung von Ausgangsmaterialien wie CuO und Cu3N führt zur Bildung von metallischen Kupfernanopartikeln. In dem dabei erzeugten Plasma nukleieren die Kupferatome zunächst zu kleinen primären Nanopartikeln. Diese Partikel koaleszieren anschließend und bilden größere sekundäre Partikel. Im Gegensatz zu dieser reduktiven Ablation, resultiert die Laserbestrahlung von CuI in der Fragmentierung des Materials. In diesem Fall wird kein Plasma erzeugt, sondern der induzierte thermische Stress führt zur Fragmentierung des Kristalls unter Beibehaltung der chemischen Zusammensetzung. Die Frage, welcher der beiden Mechanismen für ein bestimmtes Ausgangsmaterial dominiert, ist entscheidend für potentielle Anwendungen der Methode, da hiervon die chemische Zusammensetzung der erhaltenen Nanopartikel abhängt. Dies wird am Beispiel der Synthese von Bi2Te3 Nanopartikeln diskutiert, die in thermoelektrischen Elementen zur Anwendung kommen können. / The synthesis of colloidal nanoparticles has become a major topic in recent years. The pulsed laser ablation in liquids poses an alternative to the common wet-chemical approaches. Key features of the pulsed laser ablation in liquids are its simple setup, its versatility, and the possibility to generate surfactant-free colloidal nanoparticles. A further development of this technique is the use of suspended powders instead of bulk targets. This leads to higher productivities and even new materials. Although the generation of colloids by irradiating a suspension is straight forward, the underlying mechanisms of the size reduction from micrometer to nanometer sized particles appear to be quite complex. In order to reveal the mechanism a chemical approach was chosen. Hence, various copper compounds (Cu2C2, Cu5Si, Cu3N, Cu(N3)2, Cu3P, Cu2O, CuO, Cu2S, CuS and CuI) were used as a model system in order to investigate the impact of the leaving group on the ablation process. The generated nanoparticles were characterized with analytical transmission electron microscopy. These investigations clearly show that there are two distinct mechanisms involved in nanoparticle formation. The laser irradiation of precursors like CuO and Cu3N results in the formation of metallic copper nanoparticles. In the generated plasma copper atoms nucleate and form small primary particles. These particles later coalesce to larger secondary particles. In contrast to this reductive ablation, the irradiation of CuI follows a fragmentation mechanism. Here, the absorbed power of the laser beam does not produce a plasma but introduces thermal stress leading to fragmentation of the crystal while the chemical composition is preserved. The question which mechanism is predominant is of utmost importance as the chemical composition of the nanoparticles depends on the formation process. This is discussed on the example of the synthesis of Bi2Te3 nanoparticles, which can be used in thermoelectric applications.

Die Polarität ist ein kritisches Thema für das III-Nitrid-Materialsystem, das sich auf die Qualität und Eigenschaften von epitaktischen Schichten, sowie auf die Leistungfähigkeit von auf Nitrid-Materialien basierenden Bauelementen auswirkt. Das Verständnis der elementaren Mechanismen, die für die Ausbildung von Metall- oder Stickstoffpolarität der Schichten bei Abscheidung auf unpolarem Substrat verantwortlich sind, fehlt jedoch. Die bestehenden Konzepte basieren auf empirischen Beobachtungen und sind teilweise widersprüchlich. Einer der Hauptgründe dafür ist der Mangel an präzisen Charakterisierungsmethoden, die eine lokale Bestimmung der Polarität und atomarer Struktur von Schichten erlauben, als die wesentlichen Konzepte der Polaritätskontrolle aufgestellt wurden. In dieser Arbeit entwickeln wir ein Konzept der Polaritätskontrolle in AlN- und GaN-Schichten, welche mittels metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) auf Saphirsubstraten gewachsen sind. Die Polarität der Schichten wird mit Hilfe von aberrationskorrigierter Hochauflösungstransmissionselektronenmikroskopie und Z-Kontrastabbildung (Ordnungszahlkontrast) im Rastertransmissionselektronenmikroskop untersucht. Die Auswertung der experimentellen Untersuchungen ergibt Erkenntnisse bezüglich folgender Themen: (i) zum Mechanismus, der die Polaritätsauswahl steuert; (ii) zur Beziehung zwischen Saphir-Oberflächennitridierung und Al-polaren Domänen in ansonsten N-polaren AlN-Schichten; (iii) zur Möglichkeit des kontrollierten Wechsel von N- hin zu Al-polaren Schichten durch ein Sauerstofftempern. Das Verständnis dieser Mechanismen, durch die die Polarität bestimmt wird, eröffnet die Möglichkeit der gezielten Manipulierung der Polarität und Polaritätsabfolge in Nitridschichten und kann einen Hinweis zum Verständnis der Polaritätskontrolle in anderen Materialsystemen (z. B. Oxiden) geben. / Polarity is a critical issue for III-nitrides material system that has an impact on the quality and properties of epitaxial films and the performance of nitride-based devices. But the understanding of the elementary mechanisms that are responsible for establishing metal or nitrogen polarity of the films grown on nonpolar substrate is lacking. The existing concepts are based on empirical observations and contain ambiguous results. One of the main reasons for that is the lack of precise characterization tools, allowing localized determination of polarity and atomic structure of layers, at the time, when main concepts for polarity control were established. In this work we develop a concept of polarity control in AlN and GaN layers grown by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) on sapphire substrates. The polarity of the layers is studied by aberration corrected HRTEM and high resolution high-angle annular dark field (HAADF) scanning TEM. The analysis of the experimental investigations yields the following principal results about: (i) the mechanism that governs polarity selection; (ii) the relation between sapphire surface nitridation and Al-polar domains in N-polar AlN films; (iii) the possibility of controlled switching the layers polarity from N to Al by oxygen annealing. The understanding of these mechanisms by which polarity is controlled opens up the possibility for polarity engineering in nitride films and can give a clue to understanding polarity control in other material systems (e.g. oxides). / La polarité est une question critique pour le système de matériaux III-nitrures, qui a un impact sur la qualité des films épitaxies et la performance des dispositifs à base de nitrure. Mais la compréhension des mécanismes élémentaires responsables de l'établissement de la polarité N ou métallique des films sur le substrat non-polaire manque. Les concepts existants sont basés sur des observations empiriques et contiennent des résultats ambigus. Une des raisons principales est le manque d'outils analytiques, permettant la détermination localisée de la polarité et de la structure atomique des couches à l'époque, lorsque les concepts de contrôle de la polarité ont été établis. Dans ce travail, nous développons un concept de contrôle de la polarité dans les couches AlN et GaN épitaxies sur substrat de saphir par EPVOM. La polarité des couches est étudiée par microscopie électronique en transmission (MET) haute résolution corrigée des aberrations et par microscope électronique à balayage en transmission en champ sombre (HAADF-STEM). L'analyse des investigations expérimentales donne les principaux résultats suivants : (i) le mécanisme qui régit la sélection de la polarité; (ii) la relation entre la nitruration de la surface et les domaines de polarité Al dans les films d'AlN N-polaire; (iii) possibilité d’inverser la polarité N de films d’AlN de polarité mixte en introduisant un recuit sous oxygène. La compréhension de mécanisme par lequel la polarité est contrôlée ouvre les possibilités d'une ingénierie de polarité dans les films de nitrure et peut donner une idée de la compréhension du contrôle de la polarité dans d'autres systèmes de matériaux (par exemple, les oxydes).

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Die außerordentlichen Steigerungen der Funktionalität und Produktivität in der Halbleiterindustrie sind zum wesentlichen Teil auf eine Verkleinerung der Strukturdetails auf einer logarithmischen Skala über die letzten Jahrzehnte zurückzuführen. Sowohl zur Kontrolle des Fertigungsergebnisses als auch zur Klärung von Fehlerursachen ist die Nutzung transmissionselektronenmikroskopischer Methoden unabdingbar. Für die Zielpräparation von Halbleiterstrukturen sind Techniken unter Nutzung der Focused Ion Beam Geräte etabliert, die je nach der konkreten Aufgabenstellung variiert werden. Die Abbildung von Strukturdetails mit Abmessungen von wenigen Nanometern erfordert die Anwendung unterschiedlicher Kontrastmechanismen. Die Ergänzung der Abbildung durch die analytischen Techniken der energiedispersiven Röntgenmikroanalyse und der Elektronenenergieverlustanalyse ist ein wertvolles Werkzeug bei der Klärung von Fehlerursachen oder bei prozesstechnischen Fragestellungen. Die Nutzung der Rastertransmissionselektronenmikroskopie erlaubt die unmittelbare Kombination von Abbildung und Elementanalyse. Die lokale Verteilung von Dotierstoffen als wesentliche Grundlage für die Funktion von Bauelementen in der Halbleiterindustrie ist nur über ihre Auswirkung auf die Phase der transmittierten Elektronenwelle nachweisbar. Mittels Elektronenholographie kann dieser Einfluss gemessen werden und das Prozessergebnis von Implantationen dargestellt werden. Für die Charakterisierung von Details, die kleiner als die Probendicken sind, die im TEM genutzt werden, ist die Anwendung der Elektronentomographie ein geeignetes Werkzeug. Dazu sind spezielle Präparations- und Abbildungsstrategien erforderlich. / The strong improvements in functionality and productivity in the semiconductor industry are mostly a result of the decrease of structural details on a logarithmic scale during the last decades. The monitoring of the production process, as well as failure analyses, utilize methods of transmission electron microscopy. For targeted preparations of semiconductor structures, techniques based on focused ion beams are established, with adaptions to the current task. The imaging of structural details with dimensions of a few nanometers requires the application of different contrast techniques, depending on the detailed request. Different opportunities of elemental analysis, such as energy dispersive X-ray analysis or electron energy loss analysis, deliver additional information about the chemical composition and binding states on a nanoscale. The use of scanning transmission electron microscopy enables a direct combination of imaging and elemental analysis. The local distribution of dopants, as one of the major basics for the function of semiconductor devices, can be observed via the phase shift of the transmitted electron wave only. This influence requires the application of electron holography, a technique which enables the visualization of the process result of implantations or diffusion processes. The characterization of details which are smaller than the thickness of a TEM-sample is enabled through the use of electron tomography. This technique requires special strategies for preparation and imaging and delivers a 3D-dataset, describing the structure.

Gegenstand der Arbeit ist die Analyse der bei hohen Verformungsgraden in Werkstoffen durch kollektive Bewegung der Versetzungen entstandenen neuen Defektkonfigurationen, die auf der mesoskopischen Skala agieren. Diese so genannte Disklinationen rufen neben starken Gitterdehnungen auch erhebliche lokale Gitterrotationen hervor. Es wurde der Nachweis der Existenz der Disklinationen in plastisch verformten Kristallen geliefert sowie die qualitative und quantitative Analyse der Disklinationskonfigurationen und der Disklinationsstärke durchgeführt. Die Untersuchungen an stark verformten Ein- und Vielkristallen wurden mittels sowohl lokalen Methoden der Transmissions- (TEM, CBED) und Rasterelektronenmikroskopie (REM, EBSD) als auch der integralen Methoden der Röntgenstrukturanalyse (XRD) durchgeführt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Entwicklung der Zellblockstruktur mit erheblichem Anstieg der Desorientierungen und Versetzungsdichten in Versetzungswänden verbunden ist und durch die Bildung der Netzwerke von Disklinationen gefördert wird.

Andrologische Forschungsarbeiten der letzten Jahre beweisen, dass einzelne, aus somatischen Zellen bekannte Apoptose-typische Veränderungen bei humanen Spermien einen negativen Einfluss auf die Fertilität des Mannes haben. Umstritten ist, ob es sich dabei nur um einen abortiven Zelltod als Zeichen einer Reifungsstörung während der Spermatogenese handelt oder ob Apoptose auch in reifen Spermien induzierbar ist. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, durch Untersuchungen zur Induzierbarkeit der Apoptose in reifen und unreifen Spermatozoen die vollständige Funktionalität verschiedener Signalkaskaden sowie deren Umsetzung in morphologische Veränderungen aufzudecken. Darüber hinaus sollte die Rolle des intrazellulären Calciumspiegels als möglicher Interaktionspartner zwischen Akrosomreaktion und Apoptose geklärt werden, um Informationen über die Zukunft der nicht fertilisierenden Spermien im weiblichen Genitaltrakt zu erlangen. In den vorliegenden Versuchsreihen konnte erstmals die gezielte Induktion der Apoptose in reifen und unreifen Spermatozoen anhand biochemischer und elektronenmikroskopischer Untersuchungen nachgewiesen werden. Dabei wurde ausführlich die erfolgreiche Aktivierung mehrerer intrinsischer Apoptosesignalwege in reifen Spermien gezeigt, deren Initiation entweder auf den Zusammenbruch innerer Mitochondrienmembranen, auf eine veränderte intrazelluläre Calciumkonzentration oder auf das Einwirken von oxidativem Stress zurückzuführen war. Zudem konnten Erkenntnisse zum antioxidativen Schutzmechanismus von Spermien gewonnen werden, welcher die Spermien gegenüber einer spezifischen Menge an H2O2 vor oxidativem Stress-bedingter Apoptose bewahrt. Sowohl die Apoptose als auch die Akrosomreaktion waren durch die Zugabe eines Calciumchelators blockierbar. Die Initiation des programmierten Zelltodes in Spermien durch einen Anstieg der intrazellulären Calciumkonzentration erklärt zudem eine weitere wichtige Funktion dieses Prozesses: das Absterben von akrosomenreagierten Spermien bei nicht erfolgter Fertilisation im weiblichen Genitaltrakt. Die Theorie einer rein abortiven Apoptose als Folge einer Spermatogenesestörung ist damit widerlegt.

Correlative light and electron microscopy (CLEM) is a powerful approach to investigate the molecular ultrastructure of labeled cell compartments. However, quantitative CLEM studies are rare, mainly due to small sample sizes and the sensitivity of fluorescent proteins to strong fixatives and contrasting reagents for EM. Here, we show that fusion of a self-labeling protein to insulin allows for the quantification of age-distinct insulin granule pools in pancreatic beta cells by a combination of super resolution and transmission electron microscopy on Tokuyasu cryosections. In contrast to fluorescent proteins like GFP organic dyes covalently bound to self-labeling proteins retain their fluorescence also in epoxy resin following high pressure freezing and freeze substitution, or remarkably even after strong chemical fixation. This enables for the assessment of age-defined granule morphology and degradation. Finally, we demonstrate that this CLEM protocol is highly versatile, being suitable for single and dual fluorescent labeling and detection of different proteins with optimal ultrastructure preservation and contrast.