Atom Interferometrie ist eine sehr genaue und sensitive Methode mit einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, zu der auch die Messung der Erdbeschleunigung zählt. Während die meisten Atom Interferometer aus großen, ortsfesten Aufbauten bestehen, werden auf diesem Gebiet häufig mobile Messgeräte benötigt. Das Gravimetric Atom Interferometer (GAIN) Projekt wurde ins Leben gerufen, um dieser zusätzlichen Anforderung bei bestmöglicher Messgenauigkeit gerecht zu werden. Es soll eine Alternative zu anderen modernsten Gravimetertypen geschaffen werden, die wichtige funktionale Eigenschaften wie eine hohe Auflösung und absolute Genauigkeit in einem Gerät vereint. Der GAIN Sensor verwendet lasergekühlte Rb87 Atome in einer 1 m hohen Fontäne. Mit Hilfe von stimulierten Raman Übergängen wird ein beschleunigungssensitives Interferometer realisiert. In dieser Arbeit wurde der Sensor mit Blick auf mobile und driftfreie Langzeitmessungen weiterentwickelt. Dafür wurden einzelne Subsysteme des Laseraufbaus auf die daraus resultierenden Anforderungen hin angepasst oder neu entwickelt. Mit derselben Zielstellung wurden weiterhin systematische Effekte in dem Messaufbau untersucht und Maßnahmen für ihre Reduzierung realisiert. Der Aufbau wurde transportiert und in relevanten Umgebungen getestet. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Leistungsfäigkeit dieses Aufbaus mit denen der wichtigsten und modernsten Gravimeter konkurieren kann, sie teilweise übertrifft und dass dieser Sensor zur präzisen Kalibrierung der relativen Gravimeter verwendet werden kann. In den Messungen wurde eine Sensitivität von 138 nm/s^2/Sqrt(Hz) sowie eine Langzeitstabilität von 5 x 10^−11 g über 10^5 s erreicht. / Atom interferometry offers a very precise and sensitive measurement tool for various areas of application whereof one is the registration of the gravity acceleration. While the vast majority of atom interferometers include large and stationary setups, this field very often implies the additional request for a mobile apparatus. The Gravimetric Atom Interferometer (GAIN) project has been started to meet this requirement and to provide best possible accuracy at the same time. It aims to realize an alternative to other types of gravimeters and to combine important qualities such as high sensitivity and absolute accuracy in one instrument. The GAIN sensor is based on laser-cooled Rb87 atoms in a 1 m atomic fountain. Stimulated Raman transitions form a Mach-Zehnder type interferometer which is sensitive to accelerations. In this work it has been advanced to meet all requirements for mobile and drift-free long-term operation. Therefore, selected parts of the laser system have been improved or redeveloped. A second focus has been on systematic effects for the same objective. They have been analyzed and measures for their suppression have been undertaken. The apparatus has been transported, tested in relevant environments, and compared to the most important state-of-the-art gravimeter types where a competitive performance has been achieved. It is demonstrated, that the gravity signal of this sensor allows for a precise calibration of the relative gravimeter types. During the measurements a best sensitivity of 138 nm/s^2/Sqrt(Hz) and a stability of 5 x 10^−11 g after 10^5 s has been reached.

Diese Doktorarbeit behandelt die bosonische Einbettung der geeichten N = 8 Supergravitation in elf Dimensionen. Die höher dimensionalen Felder müssen zuerst nichtlinear umdefiniert werden, sodass ihre supersymmetrischen Transformationen mit denen der vierdimensionalen Felder verglichen werden können. So wurden in der Literatur nichtlineare Beziehungen zwischen den neu definierten elfdimensionalen Feldern und den Feldern der N = 8 Supergravitation gefunden. Darauf basierend können nun direkte Ansätze gefunden werden, die eine vierdimensionale in eine elfdimensionale Lösung der Supergravitation einbetten. Die Arbeit präsentiert alle Ansätze für die skalaren internen Felder. Zuerst werden die schon bekannten Einbettungsformeln für die inverse Metrik, das Dreiform-Potential mit gemischter Indexstruktur sowie das Sechsform-Potential zusammengefasst. Danach werden neue Ansätze für die explizite interne Metrik, das vollständige Dreiform-Potential, den Warp Faktor, die Vierform Feldstärke sowie den Freund-Rubin Faktor gefunden. Die Einbettung der Vektorbosonen hängt dann nur von den skalaren Feldern ab. Der zweite Teil der Arbeit benutzt die gefundenen Einbettungsformeln, um gruppeninvariante Lösungen der elfdimensionalen Supergravitation zu finden. In solchen Fällen hängen die höherdimensionalen Felder ausschließlich von speziellen gruppeninvarianten Tensoren ab, die auf die jeweilige interne Geometrie angepasst sind. Als Beispiel wird zuerst die schon bekannte Einbettung der G2 invarianten Supergravitation zusammengefasst. Dann wird eine neue SO(3)×SO(3) invariante Löung der elfdimensionalen Supergravitation gefunden. Schließlich wird die Konsistenz der gefundenen Lösungen für eine maximal symmetrische Raumzeit überprüft. Die Ergebnisse können auf andere Kompaktifizierungen verallgemeinert werden, z.B. auf die nichtkompakten CSO(p,q,r) Eichungen oder auf die Reduzierung der Typ IIB Supergravitation zu fünf Dimensionen. / This thesis presents the complete embedding of the bosonic section of gauged N = 8 supergravity into 11 dimensions. The fields of 11-dimensional supergravity are reformulated in a non-linear way, such that their supersymmetry transformations can be compared to the four-dimensional ones. In this way, non-linear relations between the redefined higher-dimensional fields and the fields of N = 8 supergravity were already found in the literature. This is the basis for finding direct uplift Ansätze for the bosonic fields of 11-dimensional supergravity in terms of the four-dimensional ones. This work gives the scalar Ans¨atze for the internal fields. First, the well known uplift formulae for the inverse metric, the three-form potential with mixed index structure and the six-form potential are summarized. Secondly, new embedding formulae for the explicit internal metric, the full three-form potential and the warp factor are presented. Additionally, two subsequent non-linear Ansätze for the full internal four-form field strength and the Freund-Rubin term are found. Finally, the vector uplift can simply be found in terms of the obtained scalar fields. The second part of this thesis uses the obtained embedding formulae in order to construct group invariant solutions of 11-dimensional supergravity. In such cases, the higher-dimensional fields can be written solely in terms of certain group invariant tensors that are adapted to the particular geometry of the internal space. Two such examples are discussed in detail. The first one is the well-known uplift of G2 gauged supergravity. Furthermore, a new SO(3)×SO(3) invariant solution of 11-dimensional supergravity is found. In particular, the consistency of both solutions is explicitly checked for a maximally symmetric spacetime. The results may be generalized to other compactifications, e.g. the non-compact CSO(p, q, r) gaugings or the reduction from type IIB supergravity to five dimensions.

Biochemische Prozesse treten in wässriger Umgebung auf und Wechselwirkungen der Wasserhülle mit Biomolekülen spielt eine Schlüsselrolle für deren Struktur und Funktion. In dieser Arbeit wird die Strukturdynamik der Wassermoleküle und Gegenionen in der umgebenden Wasserhülle der DNA mit der Methode der zweidimensionalen Infrarotspektroskopie (2D IR) sowie Anrege-Abfrage-Spektroskopie untersucht. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigt das starke Potenzial von Schwingungsmoden an Grenzflächen für die Abbildung und das Verständnis von Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen und ihrer Wasserhülle. In Zukunft soll dieses Konzept auch auf andere Biomoleküle angewendet werden. / Biochemical processes occur in an aqueous environment and interactions of the water shell with biomolecules play a key role for their structure and function. In this thesis, the structural dynamics of water molecules and counterions in the hydration shell of DNA is investigated by two-dimensional infrared (2D IR) spectroscopy and pump-probe transient spectroscopy. 2D IR spectroscopy is a powerful technique that can track molecular couplings between different vibrational modes and structural fluctuations of the chemical environment on a femto- to picosecond time scale. In the present study, vibrational modes of the DNA backbone serve as probes located at the DNA-water interface. The results of this thesis demonstrate the strong potential of interfacial vibrational modes for mapping and understanding interactions between biomolecules and their water shell. In future, this concept will be applied to other biomolecular systems.

Diese Arbeit befaßt sich mit der SAW-STM-Methode, einer Abwandlung der Rastertunnelmikroskopie (engl. scanning tunneling microscopy) zur hochauflösenden Abbildung akustischer Oberflächenwellen (engl. surface acoustic wave). Das Meßprinzip des SAW-STM beruht auf der Modulation des Tunnelabstandes und der hieraus resultierenden Modulation des Tunnelstroms durch die oszillatorische Bewegung der Probenoberfläche. Zur einfacheren Signaldetektion wird ein Heterodyn-Verfahren verwendet, das über eine zusätzliche Modulation der Tunnelspannung das SAW-STM Signal in den kHz-Frequenzbereich verschiebt. Dieses trägt die komplette Information über die Amplitude und die Phase der Tunnelabstandsmodulation. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Abhängigkeit des SAW-STM Signals von den experimentellen Paramtern und von der Topographie der Probe theoretisch beschrieben und experimentell untersucht. Dies führt zu einer kalibrierten Vermessung der oszillatorischen Bewegungsbahn der SAW-tragenden Probenoberfläche. Das untersuchte Materialsystem ist ein 40 nm dicker Goldfilm auf einem LiNbO3-Substrat im Y-Schnitt, das eine Welle vom Rayleigh-Typ in Z-Richtung trägt. Indem ein SAW-STM entwickelt wird, das im Ultrahochvakuum (UHV) arbeitet, wird die SAW-STM Methode hinsichtlich des Spektrums untersuchbarer reaktiver Materialien und hinsichtlich der Signalstabilität. Es wird der Umbau eines kommerziellen Rastertunnelmikroskops zum SAW-STM beschrieben. Zu diesem Zweck wird eine Probenhalterung konstruiert, die den Transfer der Probe zwischen der Bedampfungseinrichtung und dem STM ohne Belüftung der Kammer erlaubt. Gleichzeitig stellt sie automatisch die fünf notwendigen elektrischen Kontakte zum Probenchip her, wenn die Probenhalterung in das STM gesetzt wird. Weiterhin werden die Konstruktion eines UHV-tauglichen Sytems von Hochfrequenz-Signalleitungen und der Bedampfungseinrichtung zur in-situ Probenpräparation beschrieben. Mit diesem UHV-SAW-STM können SAWs einer Amplitude im Bereich von 0.001 Å bis 1 Å angeregt und detektiert werden. Die maximale Frequenz, die eine im UHV-SAW-STM nachweisbare SAW haben kann, beträgt mindestens 360 MHz. Weiterhin wird das in LabVIEW geschriebenen Softwarepacket zur Auswertung der SAW-STM-Daten vorgestellt. Um die SAW-STM-Methode auf ein sicheres Fundament zu stellen, wurde erstmals systematisch die Abhängigkeit des SAW-STM-Signals von den Meßparametern experimentell untersucht. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Theorie des SAW-STM-Signals beschreibt die experimenell gefundenen Abhängigkeiten hinreichend gut. Zentraler Punkt dieser Theorie ist dabei die Berücksichtigung der Abstandsregelung des STM, die im Constant-Current-Modus die Spitzenposition so regelt, daß der mittlere Tunnelstrom konstant ist. Der Vergleich der gemessenen und der theoretischen Abhängigkeit der Signalamplitude von der Amplitude der Modulation des Tunnelabstandes ermöglicht dabei die kalibrierte Messung der Amplitude der vertikale Auslenkung der Rayleighwelle. Scans der SAW-STM-Methode liefern Bilder der Topographie sowie der Amplitude und der Phase des SAW-STM-Signals. Mit der Theorie des SAW-STM-Signal der korrugierten Probenoberfläche werden aus der gemessenen Topographie simulierte Amplituden- und Phasebilder erstellt und mit den gemessenen Bildern verglichen. Während die Übereinstimmung mit den gemessenen Amplitudenbildern nur qualitativer Art ist, erlaubt der quantitative Vergleich zwischen simulierten und gemessenen Phasenbildern die Bestimmung der Exzentrizität der Oszillationsellipse. Zusammen mit der oben erläuterten Messung der vertikalen Auslenkungsamplitude ist somit in dieser Arbeit die Oszillationsellipse der Rayleighwelle vollständig ausgemessen. / This thesis deals with the SAW-STM method, which is a technique based on scanning tunneling microscopy (STM) for the high-resolution mapping of surface acoustic waves (SAW). The measurement principle of the SAW-STM utilizes the modulation of the tunneling distance and the resulting modulation of the tunneling current due to the mechanic oscillation of the sample surface. To facilitate signal detection a heterodyn technique is employed which shifts the measured signal into the kHz-range by adding modulation to the tunneling voltage. The signal contains the entire information about the amplitude and the phase of the SAW-induced tunneling distance modulation. Experiments are presented to investigate the dependence of the signal amplitude on the experimental parameters and on the sample topography. This data is compared to a theory developed to describe the SAW-STM signal, leading to a calibrated measurement of the trajectory of the sample surface which carries the wave. The sample we investigated was a 40 nm gold film deposited on a LiNbO3 substrate in the Y-cut, deformed by a Rayleigh-type wave in the z-direction. To increase signal stability and to extend the range of reactive sample materials we constructed a SAW-STM operating in the ultra-high-vacuum (UHV). In this thesis the conversion of a commercial STM to a SAW-STM is described. A sample holder is constructed, which allows the transfer of the sample between the evaporation stage and the STM without venting the UHV chamber. It provides a contact spring mechanism for the automatical electric contactation of the sample chip, when the sample holder is inserted into the STM. Moreover, we installed a UHV-compatible wiring system for SAW-excitation and for signal detecting and an evaporation stage for in-situ sample preparation. We demonstrate that the UHV-SAW-STM is capable of exiting and detecting surface acoustic waves with an amplitude in the range 0.001 Å to 1 Å. The maximal frequency of SAW which can be studied with the UHV-SAW-STM is found to be at least 360 MHz. For the analysis of SAW-STM data a LabVIEW software package was implemented. To put the SAW-STM technique on a strong basis, we systematically studies the dependence of the SAW-STM signal on the various measurement parameters. The theory of the SAW-STM signal developed in this work is in good agreement with this experimental data. In this theory, we take into account that the STM is operated in the constant-current mode, i.e. the tip position is controlled to keep the average tunneling current constant. The comparison of the measured and the simulated dependence of the signal amplitude on the amplitude of the tunneling distance modulation allows the calibrated measurement of the vertical displacement amplitude of the Rayleigh wave. SAW-STM scans yield images of the topography and of the amplitude and the phase of the SAW-STM signal. Employing the theory of the SAW-STM signal on the corrugated surface, we simulated amplitude and phase imaged based on the measured topography. The agreement between simulated and measured amplitude images is only qualitative. In contrast, the comparison of simulated and measured phase images allows the determination of the excentricity of the oscillation ellipse. Having determined this excentricity and the vertical displacement amplitude of the Rayleigh wave, we have gaind complete knowledge about the geometry of the Rayleigh wave oscillation ellipse.

In dieser Arbeit wird der Catastrophic Optical Damage (COD) zeitaufgelöst untersucht um die beteiligten physikalischen Mechanismen zu identifizieren. Der COD Prozess konnte zeitlich in drei Phasen unterteilt werden, die Alterung, der thermische Runaway (selbst verstärkende Rückkopplung) und das Sekundärschadenswachstum. Die erste Phase konnte durch eine neu eingeführte Art der beschleunigten Bauteilalterung auf den Nanosekunden-Bereich reduziert werden. Die Rolle des Laser-Lichtfelds als Energiequelle des COD-Prozesses wurde experimentell bestätigt. Die genutzten thermographischen Techniken erlaubten eine in-situ Verfolgung des Defektwachstums. Diese direkte Messung der Ausbreitung, die Modellierung des Wärmeflusses und eine kristallographische Materialanalyse zeigen, dass das Material, welches von der Defekt-Front passiert wurde, innerhalb von Nanosekunden zu substanziell tieferen Temperaturen zurückkehrt. Verschiedene experimentelle Ansätze bestätigen das Vorhandensein einer Temperatur im Bereich von 1200°C-1500°C an der Schadensfront während des gesamten Degradationsprozesses. Dabei hat sich gezeigt, dass selbst wenn keine Laseremission mehr vorliegt, die verstärkte spontane Emission ausreicht, um den fortschreitenden Degradationsprozessmit Energie zu versorgen. Für den Start des thermischen Runaway muss ein bestimmter Temperaturunterschied zwischen der späteren COD-Position und dem übrigen aktiven Lasermaterial erreicht werden. Die vorliegende Arbeit zeigt verschiedene Mechanismen auf, die zu einer solchen Situation führen können. Dabei spielen auch physikalische Eigenschaften der verwendeten Materialsysteme und Schichtstrukturen eine entscheidende Rolle. Ein neu im Rahmen dieser Arbeit entwickeltes Modell zur Beschreibung der räumlichen Schadensausbreitung nutzt diesen Umstand, um die Defektkinetik ex-post zu rekonstruieren. Dies ermöglicht das Aufzeigen von Schwachstellen im Bauelement. / The scope of this thesis is the time-resolved investigation of the catastrophic optical damage (COD) and the identification of the underlying physical mechanisms. The COD has been separated in three temporal phases: the aging, the thermal runaway (self-amplifying feedback mechanism), and the secondary defect growth. It was possible to reduce the first phase to a couple of nano-seconds by applying a new accelerated life test scheme. It was experimentally verified that the laser light is the primary energy source of COD. The applied thermographic technologies allowed an in-situ tracing of the defect growth. A fast thermo cycle during the passage of the defect front was confirmed by this direct measurement, a modeling of the heat flow, and a crystallographic material analysis. Different experimental setups indicate the presence of a temperature in the range of 1200°C-1500°C at the defect front, during the entire COD-degradation. Even if no lasing action is present anymore, the amplified spontaneous emission is sufficient to provide enough energy for further defect growth. In order to initiate the thermal runaway, a specific temperature difference is necessary between the COD-starting location and the remaining active laser material. This thesis provides an analysis of the mechanisms leading to such a situation. This kind of analysis was used to develop a new model of the geometrical defect growth. The ability to re-construct the defect dynamics based on ex-post analysis of the defect pattern allows for the identification of bottlenecks in the investigated device design leading to COD.

Quantentechnologien sind im Begriff sich von Laborversuchen zu effizienten Anwendungen zu entwickeln. Die Quantenzustände einzelner Photonen spielen dabei die Rolle als Bindeglied zwischen stationären Quantensystemen. Ein hybrider Ansatz wird verfolgt, um die Wechselwirkung gezielt zwischen im Wellenleiter geleiteten Photonen und gekoppelten Quantenemittern zu erreichen. Die Dissertation untersucht zwei zentrale Aspekte solcher hybriden photonischen Quantentechnologien: die effiziente Erzeugung von Photonen und die Optimierung von photonischen Strukturen. Der erste Teil dieser Arbeit behandelt die Entwicklung einer optischen Mikrotechnology. Integrierte nano-photonische Wellenleiter aus Siliziumnitrid wurden für die Kopplung zu Quantenemittern entworfen, optimiert und optisch untersucht. Das finale Design wurde erfolgreich in Kopplungsexperimenten verwendet, bei denen 42 % der Fluoreszenz eines einzelnen Moleküls an einen Wellenleiter gekoppelt wurde. Der zweite Teil der Arbeit untersucht zwei Einzelphotonenquellen. Zunächst wurde ein neuartiger Einzelphotonenemitter basierend auf Defektzentren in Zinkoxid optisch bei tiefen Temperaturen untersucht. Es konnte im Zuge dieser Arbeit erstmals gezeigt werden, dass die Photonen von nano-strukturiertem Zinkoxid sehr schmalbandige Emission aufweisen. Im letzten Teil, wird eine Einzelphotonenquelle bestehend aus einem organischen Molekül untersucht. Bei kryogenen Temperaturen wurden Lebenszeit-limitierte Linienbreiten auf den Molekülproben detektiert. Die Rabi-Oszillationen zwischen den Molekülzuständen konnten akkurat durch eine quantenmechanische Theorie beschrieben werden, wodurch die Vermessung der Dephasierung des Quantensystems durch die nanoskopische Umgebung präzise studiert werden konnte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zur Kopplung von Einzelphotonenquellen stellen die Grundlage für weitere Anwendungen durch eine photonische Quantentechnologie dar. / Quantum technologies are on the verge to transition from laboratory experiments to efficient integrated applications. The quantum states of photons are the connecting link between individual stationary quantum systems. A hybrid approach is employed to tailor the interaction of routed photons with optically coupled quantum systems. The thesis investigates two core aspects of a hybrid photonic quantum technology: efficient single photon generation and optimized photonic micro-structures, suitable to form a hybrid system. In the first part of this work, nano-photonic integrated structures were optimized for efficient coupling to quantum emitters. Optical waveguides based on silicon nitride (SiN) were designed, fabricated, and optically characterized. The final design was successfully employed in coupling experiments, where up to 42% of the fluorescence from a single molecule was coupled to a waveguide. In the second part of this thesis two single photon sources are investigated towards their implementation into a hybrid photonic system. First, a novel single photon source based on a defect center in zinc oxide was optically investigated at room-temperature and cryogenic temperature. Spectrally narrow zero-phonon lines of the fluorescence from nano-structured zinc oxide were measured for the first time during this work. A second emitter system, based on an organic dye molecule was investigated in the final part of this research. At cryogenic temperatures, single molecules showed lifetime-limited linewidths of <50MHz. A resonant laser source drives Rabi oscillations, which are accurately described by the quantum mechanical theory of a two-level system. The system's decoherence was mapped, illustrating the quantum sensing capabilities of the system. The results presented in this thesis on coupling efficiencies and single emitter performance provide the necessary background of the elements composing a future hybrid technology.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Auswertemethodik für anomale Röntgenkleinwinkelstreuung (ASAXS) zur nanochemischen Zusammensetzungsanalyse der beteiligten Phasen eines Probensystems entwickelt und auf eine Glaskeramik angewendet. Die nanochemische Analyse unterscheidet sich von den bekannten Verfahren der partiellen Strukturfaktoren bzw. -funktionen (PSF) durch die Anwendbarkeit auf nahezu jedes Probensystem, da keine einschränkenden Annahmen bezüglich der anomalen Korrekturfaktoren der atomaren Streufaktoren der einzelnen Elemente getroffen werden müssen. Im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten PSF''s werden die relevanten Probeneigenschaften, d.h. die Nanostruktur und die nanochemische Zusammensetzung, direkt aus den Verläufen der differenziellen Streuquerschnitte in Abhängigkeit von der Röntgenenergie und des Streuvektorbetrages bestimmt. Es wurden umfangreiche anomale Röntgenkleinwinkelstreuexperimente an einer ausgewählten Oxyfluorid-Glaskeramik durchgeführt und mit der entwickelten Methode analysiert. Die untersuchte Glaskeramik, welche mit den seltenen Lanthanoiden Erbium und Ytterbium dotiert ist, zeigt die nichtlineare optische Eigenschaft der Frequenzerhöhung. Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, die gemittelte Zusammensetzung der Teilchenphase und die der amorphen Glasmatrix mittels ASAXS quantitativ zu bestimmen. Im Gegensatz zu EDX-Studien liefert ASAXS gemittelte Zusammensetzungen, die das Probensystem aus statistischer Sicht besser repräsentieren. Die nanochemische Zusammensetzungsanalyse der Glaskeramik lieferte das Ergebnis, dass das Cadmium kein Bestandteil der Nanopartikelphase ist, die eine gemittelte Zusammensetzung von 17%Pb 2%Er 17%Yb 64%F (at%) aufweist. TEM-Studien implizieren, dass die Nanopartikel im Glas näherungsweise als Rotationsellipsoide beschrieben werden können. Es wurde gezeigt, dass die Streukurven der ASAXS Studien mit einem solchen Strukturmodell modelliert werden können. / In the present work an evaluation method for anomalous small-angle X-ray scattering (ASAXS) to analyze nanochemical compositions of all involved phases of a sample has been developed and was applied to a glass ceramic. The nanochemical analysis differs from the known methods of partial structure factors or functions (PSF) by the applicability to virtually any system, because the new evaluation method does not require any limiting assumptions regarding the anomalous corrections of the atomic scattering factors of the individual elements. Unlike the PSF''s normally used, the relevant sample properties, i.e. nanostructure and nanochemical compostion, will be determined directly from the differential scattering cross sections as a function of the X-ray energy and the scattering vector. Extensive ASAXS experiments at a selected oxyfluoride glass ceramic were done and analyzed by the developed method. The investigated glass ceramic, which is co-doped with selected lanthanides like erbium and ytterbium, shows the nonlinear optical property of frequency upconversion. It was shown that it is possible to determine quantitatively the average compositions of all phases of a system using ASAXS. In contrast to EDX studies, ASAXS provides average compositions, which represent the sample better from a statistical point of view. The nanochemical composition analysis of the glass ceramic yielded the result that the cadmium is not part of the nanoparticle phase, which has an average composition of 17%Pb 2%Er 17%Yb 64%F (at%). TEM studies imply that the nanoparticles in the glass can be described by ellipsoids. It was shown that the scattering curves of the ASAXS studies can be simulated by such a structural model.

Das Hochtemperaturverhalten beeinflusst viele verschiedene Prozesse von der Materialherstellung bis hin zur technologischen Anwendung. In-situ Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bietet die Möglichkeit, die atomaren Prozesse während struktureller Phasenübergänge direkt und in Realzeit zu beobachten. In dieser Arbeit wurde in-situ TEM angewendet, um die Reversibilität des Schmelz- und Kristallisationsprozesses, sowie das anisotropen Sublimationsverhaltens von Ge-Sb-Te (GST) Dünnschichten zu untersuchen. Die gezielte Probenpräparation für die erfolgreiche Beobachtung der Hochtemperatur-Phasenübergänge wird hervorgehoben. Die notwendige Einkapselung für die Beobachtung der Flüssigphase unter Vakuumbedingungen und die erforderliche sauberer Oberfläche für den Sublimationsprozess werden detailliert beschrieben. Außerdem wird die Elektronenenergieverlustspektroskopie eingesetzt um die lokale chemische Zusammensetzung vor und nach den Übergängen zu bestimmen. Die Untersuchung der Grenzflächenstruktur und Dynamik sowohl beim Phasenübergang fest-flüssig als auch flüssig-fest zeigt Unterschiede zwischen den beiden Vorgängen. Die trigonale Phase von GST weist beim Schmelzen eine teilweise geordnete Übergangszone an der fest-flüssig-Grenzfläche auf, während ein solcher Zwischenzustand bei der Erstarrung nicht entsteht. Außerdem läuft der Schmelzvorgang zeitlich linear ab, während die Kristallisation durch eine Wurzelabhängigkeit von der Zeit mit überlagerter Start-Stopp-Bewegung beschrieben werden kann. Der Einfluss der Substrat-Grenzfläche wird diskutiert und die Oberflächenenergie von GST bestimmt. Die anisotrope Dynamik führt beim Phasenübergang fest-gasförmig der kubischen Phase von GST zur Ausbildung stabiler {111} Facetten. Dies erfolgt über die Bildung von Kinken und Stufen auf stabilen Terrassen. Die Keimbildungsrate und die bevorzugten Keimbildungsorte der Kinken wurden identifiziert und stimmen mit den Voraussagen des Terrassen-Stufen-Kinken Modells überein. / High-temperature behavior influence many different processes ranging from material processing to device applications. In-situ transmission electron microscopy (TEM) provides the means for direct observation of atomic processes during structural phase transitions in real time. In this thesis, in-situ TEM is applied to investigate the reversibility of the melting and solidification processes as well as the anisotropic sublimation behavior of Ge-Sb-Te (GST) thin films. The purposeful sample preparation for the successful observation of the high-temperature phase transitions is emphasized. The required encapsulation for the observation of the liquid phase inside the vacuum conditions and the necessary clean surface for sublimation process are discussed in detail. Additionally electron energy-loss spectroscopy in the TEM is used to determine the local chemical composition before and after the phase transitions. The analysis of the interface structure and dynamic during the solid-to-liquid as well as the liquid-to-solid phase transition shows differences between both processes. The trigonal phase of GST exhibits a partially ordered transition zone at the solid-liquid interface during melting while such an intermediate state does not form during solidification. Additionally the melting process proceeds with linear dependence on time, whereas crystallization can be described as having a square-root time-dependency featuring a superimposed start-stop motion. The influence of the interface is addressed and the surface energies of GST are determined. The anisotropic dynamic of the solid-to-gas phase transition of the cubic GST phase leads to the formation of stable {111} facets. This happens via kink and step nucleation on stable terraces. The nucleation rates and the preferred kink nucleation sites are identified and are in accordance with the predictions of terrace-step-kink model.

Diese Arbeit ermöglicht ein detailliertes Verständnis der Schwingungsdynamik und Kupplungen in einem Basenpaar-Modellsystem und in künstlichen DNA-Oligomeren bei verschiedenen Hydratationsgraden. Durch die Verwendung von nichtlinearer ultraschneller IR Pump-Probe Spektroskopie sind die Schwingungsbewegungen hydratisierter DNA und die schnellsten Veränderungen in den DNA-Wasser-Wechselwirkungen und Hydrationsgeometrien direkt zugänglich. 2-pyridone/2-hydroxypyridine ist ein Modellsystem für die gekoppelte intermolekularen Wasserstoffbrücken, deren Struktur der von DNA-Basenpaaren ähnelt. In Dichlormethan existiert das Molekül als ein zyklischer 2-Pyridon-Dimer, deren Vorkommern durch NMR-und 2D-FTIR Spektroskopie verifiziert wurde. Die beobachteten kohärente Oszillationen aufgrund niederfrequenter Wellenpaketbewegungen der Dimere können für die Dynamik und räumliche Geometrie der Basenpaare in den DNA-Molekül relevant sein. Transiente Schwingungsspektren eines poly[d(A-T)]:poly[d(A-T)] Film erlauben die Zuordnung von verschiedenen NH-Streckbanden zu einer bestimmten Schwingung der Nukleinbasen und ermöglichen deren Abgrenzung zu den Beiträgen von OH-Streckschwingungen des umgebenden Wassers. Bei einem niedrigen Hydratisierungsgrad verändern die restlichen, an die Phosphatgruppen gebundenen Wassermoleküle, ihre Ausrichtung auf ultraschnellen Zeitskalen nicht. Im Fall vollständig hydratisierter DNA ist die Dynamik der Wasserhülle dem Verhalten des reinen Wassers ähnlicher und man beobachtet spektrale Diffusion der OH-Streckschwingung im Subpikosekundenbereich sowie einen Zerfall der Schwingungsanisotropie durch Molekülrotation und/oder Energietransfer. Die Wassermoleküle der Phosphat-Hydratationshülle dienen als effiziente Wärmesenke für Überschussenergie aus der DNA, wobei die Energietransferzeiten im fs-bereich liegen. Im Gegensatz dazu erfolgt Energietransport innerhalb der DNA auf einer langsameren Zeitskala von 20 ps. / This thesis provides a detailed understanding of vibrational dynamics and couplings in a base pair model system and artificial DNA oligomers at different levels of hydration. By using nonlinear ultrafast infrared pump-probe spectroscopy, the basic vibrational motions of hydrated DNA and the fastest changes in the DNA–water interactions and hydration geometries are directly accessed. 2-pyridone/2-hydroxypyridine is used as a model molecule for coupled intermolecular hydrogen bonds with a structure resembling a DNA base pair. In dichloromethane the molecule predominantly exists as a cyclic 2-pyridone dimer as determined using a combined NMR and 2D FTIR approach. The observed coherent oscillations due to low-frequency hydrogen bond wavepacket motions of the dimers are expected to be relevant for the dynamics and spatial geometry of base pairs in DNA molecule. Transient vibrational spectra of a poly[d(A-T)]:poly[d(A-T)] film enabled the assignment of different NH stretching bands to particular nucleobase vibrations, also discerning them from the OH stretching contributions of the surrounding water. At a low hydration level, residual water molecules, bound to the phosphate groups, do not alter their orientation on ultrafast time scales. In the case of fully hydrated DNA, the dynamics of the water shell are closer to those of bulk liquid water with a sub-picosecond spectral diffusion and a loss of vibrational anisotropy as a result of molecular rotation and/or energy transfer. The water shell around the phosphates serves as a efficient heat sink accepting excess energy from DNA in a femtosecond time domain, whereas the energy transfer within DNA occurs on the time scale of 20 ps.

Diese Dissertation leistet einen Beitrag zum Verständnis des Energie- und Elektronentransfers innerhalb von neuartigen supramolekularen Strukturen, die aus einem zentralen Phthalocyanin und zwei axial angekoppelten Porphyrinen bestehen. Zwei solcher Trimere, welche die koordinative Ankopplung von Porphyrinen über ein Silizium-Zentralatom des Phthalocyanins nutzen, wurden im Rahmen der Arbeit zum ersten Mal quantitativ bezüglich auftretender innermolekularer Transferprozesse charakterisiert. Ziel war die Beantwortung der Frage, ob diese Substanzklasse die wunschgemässe Vereinigung von Lichtsammlung und Ladungstrennung ermöglicht. Aus der Kombination der Messdaten, aufgenommen mit einer Vielzahl von Messverfahren, konnten für die beiden untersuchten Trimere in zwei unterschiedlich polaren Lösungsmitteln die Ratenkonstanten der Energie- und Ladungstransferkanäle ermittelt werden. In allen Fällen findet ein effizienter Ladungstransfer von den Porphyrinen zum Phthalocyanin und ein Lochtransfer vom Phthalocyanin zu einem der beiden Porphyrine statt. Dieses Ergebnis bestätigt die Erwartung, dass Lichtsammlung und Ladungstrennung in diesem Molekül vereint auftreten. Zusätzlich zu den beiden oben erwähnten Prozessen findet je nach Lösungmittelpolarität und Struktur der Porphyrine ein dem Energietransfer paralleler Elektronentransfer und ein Ladungsrücktransfer statt. Allerdings zerfällt der ladungsseparierte Zustand zu schnell, was eine praktische Nutzung der untersuchten Verbindungen in Solarzellen noch verhindert und ihre Weiterentwicklung erfordert. / This thesis contributes to the comprehension of energy and electron transfer within novel supra-molecular structures, denominated triads, consisting of a central phthalocyanine axially-coupled to two porphyrins. In the course of this thesis, two of the trimers, were quantitatively characterized regarding their intramolecular transfer processes. Both feature a dative bond between the porphyrins and the phthalocyanine via the central silicium atom of the latter. These investigations aimed at answering whether this class of compounds allows the desired combination of light harvesting and charge separation. The rate constants of both investigated trimers in two solvents with different polarity were determined by the combination of data from a variety of measurement methods. An efficient charge transfer from the porphyrins to the phthalocyanine and a hole transfer from the phthalocyanine to one of the porphyrins occurs in all investigated cases. This result confirms the prospect that light harvesting and charge separation can occur combined in one molecule. Depending on solvent polarity and the structure of the porphyrines, electron transfer parallel to the energy transfer and a charge back transfer takes place in addition to both above-mentioned processes. However, the charge-separated state of the investigated substances decays to fast, still preventing a practical utilization of these compounds in solar cells and necessitating further developments.