Obwohl B-Zellen in der Pathogenese der Rheumatoide Arthritis (RA) eine wichtige Rolle spielen, ist über ihre Aktivierung und Differenzierung im Synovialgewebe (SG) nicht viel bekannt. Ein Merkmal von RA ist das Auftreten von Autoantikörpern (auto-AK). Trotz dessen sind bisher kaum Daten über den Einfluss des SG auf die auto-AK-Produktion und die Frequenz autoreaktiver synovialer B-Zellen bekannt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung der synovialen B-Zell-Antwort und der Spezifität synovialer B-Lymphozyten. Dazu wurden B- und Plasmazellen (PC) aus dem Synovialgewebe von RA-Patienten mittels Mikrodissektion und Durchflusszytometrie isoliert und ihr Immunglobulin(Ig)-Repertoire bestimmt. Die Analyse der VH-Gene zeigte, dass sowohl naive als auch Gedächtnis-B-Zellen in das SG einwandern können. Ein Vergleich der VDJ-Rearrangements aus B-Zellen und PC belegte, dass hauptsächlich Gedächtnis-B-Zellen Antigen-abhängig aktiviert werden, klonal expandieren und zu PC differenzieren. Dabei können aktivierte B-Zellen ihre Ig-Klasse wechseln. Im Gegensatz dazu wurden nur rudimentäre Anzeichen somatischer Hypermutation nachgewiesen. Um die Spezifität synovialer B-Lymphozyten zu ermitteln, wurden rekombinante AK aus synovialen B-Zellen und PC generiert. Der Polyreaktivitätstest zeigte, dass naive B-Zellen aus dem SG einen hohen Anteil polyreaktiver Zellen besitzen. Im Gegensatz dazu ist die Frequenz von autoreaktiven Gedächtnis-B-Zellen und PC gegenüber naiven B-Zellen erhöht. Daneben konnten auch spezifische AK gegen bakterielle Antigene (insbesondere gegen Parodontitis-auslösende Bakterien) und gegen das Auto-Ag MCV identifiziert werden. Eine Affinitätsmessung des MCV-spezifischen Auto-AK zeigte, dass im SG sezernierte Auto-AK eine sehr hohe Affinität erreichen können. Die hier gewonnenen Daten verdeutlichen, dass B-Lymphozyten entscheidend an der Aufrechterhaltung oder gar Entstehung von RA beteiligt sind / Although B cells have an important impact on the pathogenesis of Rheumatoid arthritis (RA) still surprisingly little is known about their activation and differentiation within the inflamed synovial tissue (ST). A hallmark of RA is the presence of auto-antibodies (auto-Ab). However, still little is known about the frequency of self reactive synovial lymphocytes and it is unclear to which extent the inflamed ST contributes to auto-Ab production. These thesis deals with the characterization of the synovial B cell response and the specificity of synovial B lymphocytes. B and plasma cells (PC) from RA patients were isolated either by Laser Capture Microdissection or by FACS and their immunoglobulin(Ig)-repertoire was determined. The analysis of the VH-genes revealed that both naïve and memory B cells can immigrate the ST. A comparison of VDJ-rearrangements of B cells and PC showed that in ST without ectopic germinal centres mainly memory B cells become activated, expand clonally and differentiate into PC. During this process B cells can switch their Ig-class but do only hypermutate slightly. To determine the specificity of synovial B lymphocytes, recombinant Ab from synovial B cells and PC were generated. The polyreactivity assay showed that particularly naïve B cells were polyreactive. In contrast, the frequency of autoreactive memory B cells and PC was much higher than that of naïve B cells. In addition, Ab specific for bacterial antigens (especially for periodontal bacterias) and for the autoantigen MCV were identified. The affinity measurement of the MCV-specific autoantibody revealed that auto-Ab secreted in the ST can exhibit very high affinities. The data presented here show that B cells seem to play an important role in the maintenance and possibly the development of RA.

Aufkonversions-Nanokristalle (UCNC) zeichnen sich als einzigartige Lumineszenzreporter aus, die Nah-infrarotes Anregungslicht in Photonen höherer Energie umwandeln. Für die gezielte Anpassung von Eigenschaften, bedarf es ein tiefes Verständnis der Prozesse der Aufwärtskonversionslumineszenz (UCL) und deren Abhängigkeit von Material und Partikeldesign. Diese Doktorarbeit untersucht die UCL-Prozesse von Yb3+,Er3+ dotierten SrF2-UCNC und zielt darauf ab, die UCL-Eigenschaften der bisher unterschätzten kubischen Wirtsgitter zu verstehen und zu steigern. Hierbei wird die fluorolytische Sol-Gel-Synthese als neuartige Syntheseroute für UCNC vorgestellt. Vorteile wie ausgezeichnete Reproduzierbarkeit, viele Freiheitsgrade bei der Temperaturbehandlung und Partikelgestaltung werden anhand von SrF2 UCNC demonstriert. Die UCNC wurden mittels UCL-Spektren, UCL-Quantenausbeuten, leistungsdichte-abhängiger relativer spektraler Verteilung sowie der Lumineszenzabklingkinetiken unter Einbeziehung kristalliner Eigenschaften wie der Kristallphase, der Kristallitgröße, der Gitterparameter und der Teilchengröße untersucht. Die Abhängigkeit der UCL-Eigenschaften von der Dotierungsmenge wurde mit einer umfassenden Dotierungsreihe beschrieben und der optimale Dotierungsbereich (Yb3+,Er3+) von kleinen, ungeschalten SrF2-UCNC eingegrenzt. Bei der Studie dotierter Kerne mit passivierenden Schalen wurde der Einfluss von Temperaturbehandlung auf die UCL-Mechanismen und die Kern-Schale-Vermischung untersucht. Anhand von unterschiedlich kalzinierten UCNC Pulvern wurde die Empfindlichkeit der UCL gegenüber der Änderung kristalliner Eigenschaften, wie Kristallphase, Kristallinität, und Kristallitgröße betrachtet. Zusammen liefern die Dotierungs-, die Kern-Schale- und die Kalzinierungsstudie wertvolle Einblicke in das gitterspezifische Verhalten der UCL-Eigenschaften als Funktion der Energiemigration und der Kristalleigenschaften. / Upconversion nanocrystals (UCNC) represent a unique type of luminescence reporters that convert near-infrared excitation light into higher energy photons. Tailoring UCNC with specific luminescence properties requires an in-depth understanding of upconversion luminescence (UCL) processes and their dependence on material and particle design. This Ph.D. thesis focuses on the UCL processes of Yb3+,Er3+ doped SrF2-UCNC and aims to understand and enhance the UCL properties of the previously underestimated cubic host lattices. Herein, fluorolytic sol-gel synthesis is introduced as a novel synthetic route for UCNC. Advantages such as excellent reproducibility, high flexibility in temperature treatment and particle design are demonstrated using SrF2 UCNC. The UCNC were characterized by UCL spectra, UCL quantum yields, excitation power density-dependent relative spectral distribution, and luminescence decay kinetics involving crystalline properties such as crystal phase, crystallite size, lattice parameters, and particle size. The dependence of UCL properties on doping amount was described in a comprehensive doping study, and the optimal doping range (Yb3+,Er3+) of small, unshelled SrF2-UCNC was identified. In a core-shell study of doped core UCNC with passivating shells, the influence of temperature treatment on UCL mechanisms and core-shell mixing was investigated. Further, using different calcined UCNC powders, the sensitivity of UCL to the change of crystalline properties, such as crystal phase, crystallinity, and crystallite size, was assessed. Together, the doping, core-shell, and calcination studies provide valuable insight into the lattice-specific behavior of UCL properties as a function of energy migration and crystal properties.

The nature of interactions of fundamental particles is governed by symmetries. These interactions are well described by an elegant and simple SU(3)c x SU(2)L x U(1)Y symmetric gauge theory that we call the Standard Model (SM) of particle physics. Very recently the CMS and ATLAS experiments at the Large Hadron Collider (LHC) confirmed the discovery of a boson of mass of about 125 GeV. Already, the data collected from these experiments seem to indicate that this particle is in fact the last missing piece and essential ingredient of the Standard Model : the Higgs boson. The Higgs has the very distinct role of providing a mechanism through which masses for other particles can be generated without destroying gauge invariance and hence the renormalizability of the theory. While this discovery completes the picture we have of the SM, the SM itself does not account for several experimentally observed phenomena , notably, dark matter (DM) and the baryon asymmetry in the universe (BAU). From a theoretical perspective a possibility for gauge coupling unification, an explanation for the quark flavour structure and the stability of the Higgs mass to radiative corrections are features that are absent in the framework of SM. This provides a strong basis to the hypothesis that there must be some intermediate scale (between the Planck scale and electroweak scale) of new physics, i.e. physics beyond the SM (BSM). The renormalizability of SM guarantees that various parameters of SM can be determined from the electroweak scale all the way up to the Planck scale. It is interesting to note that the RG evolution of the Higgs quartic coupling is driven to smaller values and can also become negative as the energy scale increases. Naively, a negative quartic coupling indicates destabilization of the EWSB vacuum. The energy scale at which the quartic coupling becomes negative would signify a break down of the theory and would set a scale for new physics. In principle the potential can be made stable through Planck scale dynamics and other vacua (other than the EWSB vacuum) may crop up. In this scenario the EWSB vacuum may decay to the deeper vacua. It is safe to say that, within experimental uncertainties of the Higgs and top quark masses the EWSB vacuum appears to be metastable. We are now left clueless: neither do we have any hints as to the nature of BSM physics nor the scale at which SM breaks down and new physics is assured. One should also note that although the evidence for BSM is compelling, data analysed from 7 and 8 TeV runs of the LHC have not produced any signals of BSM physics so far. Thus any indications of TeV scale BSM physics have been eluding us. In such a scenario the Higgs boson has assumed the role of a portal to study the possibilities of new physics. This is also motivated by the key role that the Higgs plays in generation of mass in a gauge symmetric theory. It is therefore reasonable to assume that the Higgs boson does in fact couple to particles predicted in BSM physics. Such couplings would play a role in modifying the properties of this boson. It is now essential to determine the properties of the Higgs as precisely as possible to search for signs of BSM. This thesis explores the idea of using the Higgs as a portal to study BSM physics. The properties of the Higgs that have already been measured with data from the first two runs of the LHC are its mass, branching ratios, spin and CP. When placed in the framework of a particular new physics model, these properties impose restrictions on the couplings and masses of BSM particles. A strong candidate for a BSM scenario is a Supersymmetric extension of the SM. Supersymmetry is an extension of the Poincar´e group that describes space time symmetries. Fermionic and bosonic degrees of freedom are mixed through the generators of this extended symmetry. In the minimal supersymmetric extension of the SM (MSSM), each particle of SM has a corresponding superpartner with identical quantum numbers modulo its spin. Since we do not see, for example, a bosonic superpartner of the fermionic top quark of the same mass as that of the top quark, this must mean that the supersymmetry, even if it is realized in nature, is not exact and must be broken. Although the symmetry may be broken the MSSM has some very appealing features: stabilization of the Higgs mass to quantum corrections, gauge coupling unification and possible dark matter candidate if the lightest Supersymmetric particle happens to be both stable and neutral. It is interesting to note that in MSSM, the tree level Higgs mass is bounded from above by the Z boson mass ( ~90 GeV ). The measured value of the Higgs mass (~126 GeV ) is still achievable in the MSSM through quantum corrections, the largest contribution coming from the top quarks and stop squarks. One therefore sees that the mass of the Higgs can already provide information about top superpartners. The presence of additional charged and coloured scalars implies the possibility of existence of charge and colour breaking (CCB) minima which would affect the stability of the Electroweak Symmetry breaking (EWSB) minima generated by the Higgs potential. Stability of EWSB is then dependent on parameters in the scalar sector of MSSM. We explore the nexus between the Higgs mass and vacuum stability in this model and find restrictions on the MSSM parameter space. The lighter Higgs of the MSSM couples differently to SM particles than the SM Higgs boson. More specifically one expects the couplings of the MSSM Higgs to gauge bosons to be smaller than in SM and unlike the SM Higgs, up type quarks have couplings strengths that are different from that of down type quarks. In the decoupling regime these differences become negligible and the lighter MSSM Higgs behaves identically to the SM Higgs. The measured Higgs rates do not show any large deviations from the expectations of a SM Higgs. It is therefore reasonable to assume that MSSM, if realized, resides in the decoupling regime. While tree level processes are not altered significantly in this regime, the same cannot be said about loop induced processes such as (h→ γγ) or (gg → h). Such processes may be affected significantly by sparticles running in the loops. Higgs decays to two photons can be strongly affected by the stau sector of MSSM and we study this in connection with EWSB vacuum stability. In several models of dark matter, the dark matter candidate particle couples to the Higgs boson. It may well be that this candidate particle may be light enough so that the decay of the Higgs boson to these particles may be possible. For example, in the framework of the MSSM, the LSP (˜χ01) is the dark matter candidate and a decay of the form hχ˜→01χ˜01is possible depending on the mass and strength of coupling of such a particle. At the LHC this would show up as an branching ratio to particles that are invisible to the detectors. The dominant production mode of the Higgs at LHC proceeds through gluon fusion. In this channel a signal for an “invisibly” decaying Higgs would show up as missing energy plus jets at LHC. This has already been studied in quite some detail. We focus on other production modes, namely Vector Boson Fusion (VBF) and associated production (VH), in determining an invisible branching fraction at LHC. These two production channels are much less sensitive to any other BSM signals that may mimic an invisibly decaying Higgs and thus provide clean signals for the latter. A determination of the nature of interactions between the Higgs and gauge bosons is of paramount importance. An understanding of these interactions is closely tied to an understanding of the nature of EWSB. There are two aspects to probing these interactions. One is a determination of the Lorentz structure of the Higgs and gauge boson vertices and the second is to determine the strength of its couplings. The Higgs coupling to two gauge bosons (the hVV vertex) in SM is of the form ~ agµν . Under the assumption that BSM physics does not alter this Lorentz structure, information about possible new physics can be simply extracted through a determination of the strength of the coupling aV . However, the most general structure of this vertex is of the form (aV gµν + bV pµq ν + cV ɛ µνρσpρqσ) . Here p and q are the sum and difference of the two gauge boson momenta respectively and ɛµνρσ the completely antisymmetric Levi-Civita tensor. The term cV parametrizes CP-odd couplings while the rest are CP-even. The terms proportional to b V and cV may be generated by new physics. But which new physics model do we look at? There are a plethora of such models. Rather than shooting in the dark at random BSM directions one could adopt the following approach. In the absence of BSM signals at the LHC so far, one could assume that the scale of physics is relatively high and BSM particles are more massive than SM particles and can therefore be integrated out of the Lagrangian. It is also prudent to assume that new physics respects the SU(3)c x SU(2)L x U(1)Y gauge symmetry of SM. With these two assumptions in hand, one could supplement the SM Lagrangian with additional operators. These operators which generally have mass dimensions greater than four would destroy the renormalizability of the theory, though an interpretation as an effective theory up to a scale Λ is still valid. The idea is to now study the consequences that this effective theory would have on measurable properties of the Higgs. The effective theory could affect both the Lorentz structure as well as the strength of the couplings of the Higgs to the gauge bosons. This thesis deals with the determination of the Lorentz structure of the Higgs coupling to two gauge bosons , i.e the trilinear vertex. An analysis of this for the hZZ vertex has already been performed by ATLAS and CMS using h → ZZ *decays. A pure pseudoscalar Higgs (cZ ≠0, aZ = bZ = 0) coupling has been ruled out at about 2 ~ 3 σ level. Bounds have also been placed on a mixed scalar-pseudoscalar coupling (a Z =0,cZ =0,bZ = 0). This however, is not the end of the story. There are two important points to note here. Firstly it is important to be able to verify these findings in other production modes. To this end, we investigate the ability of VBF production to probe such anomalous couplings and find strong effects on the pseudo-rapidity distributions of the tagging jets in VBF. Secondly it is important to also look for such anomalous couplings in the hWW vertex. At this point, one might argue that the hZZ vertex and hWW vertex are connected by Custodial symmetry. However this symmetry is violated in SM by gauging of the hypercharge. It follows that violations of this symmetry should arise naturally in BSM physics. A study of the anomalous vertex is not easily achieved in h→ WW ∗ decays due to backgrounds and difficulties in reconstructing momenta. The VBF channel can be quite effective here although there is significant contamination from VBF production through the Z boson. We find that a cleaner production mode to use would be associated production. Until recently the low cross-section of Vh made it difficult to analyse this channel at LHC. An analysis of Vh has been made possible by the use of modern jet substructure techniques using (h→ bb) decays. We use these techniques and study how one can probe anomalous couplings in the Vh production mode at LHC. One of the most important couplings of the Higgs is that to the top, the heaviest SM particle. Not only is this coupling responsible for the main production channel of the SM Higgs at the LHC but the interaction with the top also has important consequences on spontaneous symmetry breaking within the SM – notably, vacuum stability arguments – as well as beyond the SM – supersymmetry, for instance, where the top drives electroweak symmetry breaking in some scenarios. The strength as well as the CP property of the Higgs top coupling is therefore an important aspect of to study. more specifically we investigate terms of the form ψ¯t(at + ibtγ5)ψth. here ψt and h corresponds to the top quark and Higgs fields respectively. at and bt parametrize scalar and pseudoscalar couplings respectively. Since the dominant production mode of the Higgs at the LHC (gluon fusion) proceeds through a top quark loop as do decays of the Higgs to two photons, some information about these couplings may be extracted just by looking at Higgs production and decay rates. However, an unambiguous determination of these couplings is possible only through Higgs production with a top and anti-top pair. Although the production rates are very small at the LHC, such a study is of prime importance. We investigate t¯th production at the LHC and list some useful observable that can probe the couplings described above. The outline of the thesis is as follows. We start with brief introduction to SM and Electroweak Symmetry breaking (EWSB) also briefly reviewing SM Higgs production and decay at the LHC. We then investigate the information that the Higgs mass in conjunction with stability of the EWSB vacuum provides about the stop sector of the MSSM. We further investigate the information that Higgs decay rates in conjunction with the stability of the EWSB vacuum could provide about the stau sector in the MSSM. We move on to examining the extent to which an invisible branching ratio of the Higgs could be measured or excluded directly at the LHC. Coming to the second part of the thesis we examine in a model independent way the nature of the Higgs-gauge boson couplings. We first give a brief description of the Higgs gauge boson vertex and the effective theory approach following it up with a description of how this could be probed using Higgs decays. We then follow it up with a study on how the Lorentz structure could affect Higgs production in Vector Boson fusion and Higgs production in association with W or Z boson. Finally, we show how the CP properties of the Higgs coupling to the top quark can be investigated using tth production along with Higgs rates.

Anhand von theoretischen Untersuchungen wird eine umfassende Beschreibung von kleinen Metalloxidclustern gegeben. Bei den untersuchten Systemen handelt es sich um Aluminium- und Eisenoxid-Ionen sowie entsprechende Oxid-Cluster, die beide Metalle enthalten. Neben der Bestimmung der geometrischen Struktur der Cluster werden auch die allgemeinen elektronischen Eigenschaften der eisenhaltigen Verbindungen untersucht. Alle Vorhersagen werden durch Vergleich mit verfügbaren experimentellen Ergebnissen -- hauptsächlich aus der Infrarot-Photodissoziations- und der Photoelektronenspektroskopie -- überprüft und bewertet. Soweit möglich werden die Bewegungen von Atomen oder kleinen Gruppen innerhalb der Cluster einzelnen experimentellen Signalen zugeordnet. Besondere Aufmerksamkeit wird dem Eisendioxidmolekül und seinem Anion gewidmet. Es wird mit spezialisierten Wellenfunktionsmethoden untersucht, mit denen ab initio Franck-Condon-Simulationen einschließlich nicht-adiabatischer und Spin-Orbit-Kopplungen für die Photoionisation des Anions erstellt werden. Sie liefern Erklärungen für die komplizierte Schwingungsstruktur des experimentellen hochauflösenden Photoelektronenspektrums. / By means of theoretical investigations, a comprehensive description of small metal oxide clusters is given. The studied systems are aluminum and iron oxide ions as well as respective bi-metallic oxide clusters. Besides the determination of the geometrical structure of the clusters, the general electronic properties of the iron-containing compounds are investigated. All predictions are checked and assessed by comparison with available experimental results, mainly infrared photodissociation and photoelectron spectroscopy measurements. As far as possible, motions of atoms or small groups within the clusters are assigned to distinct experimental vibrational features. Particular attention is paid to the iron dioxide molecule and its anion. It is studied with sophisticated wave function methods based on which ab initio Franck-Condon simulations for the photodetachment from the anion, including non-adiabatic and spin-orbit couplings, are generated. They provide explanations for the complicated vibrational structure of the experimental high-resolution photoelectron spectrum.

Goldnanopartikel werden in der kolloidalen Katalyse als Modellsystem genutzt, um den Einfluss des Partikelgröße, der Partikelform und der Zusammensetzung in bimetallischen Systemen sowie der Ligandensphäre auf die katalytische Reduktion von 4-Nitrophenol zu 4-Aminophenol zu untersuchen. Goldnanopartikel eignen sich vor allem deshalb als Modellsystem, da sie in kurzer Zeit, in hohen Ausbeuten und mit definierten Eigenschaften hergestellt werden können. Es konnte erstmals nachgewiesen werden, dass Goldnanopartikel mit einem Durchmesser von 13 nm die höchste katalytische Umsetzungsrate bei der Reduktion von 4-Nitrophenolzu 4-Aminophenol besitzen. Im Zuge dieser Arbeit wird dieses Aktivitätsmaximum der Nanopartikel näher untersucht. Dazu werden drei Aspekte vorgestellt: die Abhängigkeit von der Goldnanopartikelform, die Abhängigkeit der Substratgröße und der Einfluss der Ligandensphäre auf die Katalyse. Überraschenderweise ist CTAB als oberflächenaktiver Ligand ein Co-Katalysator bei der Reduktion, während die Anwesenheit von Natriumcitrat die Reaktion verlangsamt. Es wurden Aspekte wie die Konzentration und die Größe der Goldnanopartikel in dem komplexen Wechselspiel der Aktivitäten des Katalysators und Co-Katalysators untersucht. Dies führte zu der beispielgebenden Erkenntnis, dass oberflächenaktive Liganden mit positiver Ladung und Stickstofffunktionen die Katalyse positiv beeinflussen. In einer weiteren Studie wurde der Reaktionsmechanismus der 6-Elektronenreduktion von 4-Nitrophenol zu 4-Aminophenol erforscht. Es konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die Reduktion in zwei Teilschritten abläuft. N-Arylhydroxylamin ist als wichtiges Intermediat in der Lösung der Reduktion erstmals nachgewiesen worden. Drei kinetische Regime werden für die Reduktion von 4-Nitrophenol gefunden und geben einen Einblick in die Oberflächenreaktion von Nitroaromaten an Goldnanopartikeln. / Gold nanoparticles as model systems in colloidal catalysis are used to gain insights into the decisive parameters of the catalytic model reduction. Size, shape, composition of bimetallic systems, and ligand sphere are factors influencing the reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol by sodium borohydride in the presence of gold nanoparticles. The increasing interest in gold nanoparticle catalysis is mainly due to their stability, their fast and high yield synthesis as well as their extraordinary diversity of the modes of preparation. This thesis is assigned to unravel the important parameters of gold nanoparticle catalysis. In the first part of the thesis, CTAB-stabilized gold nanoparticles were synthesized by applying the seeding-growth approach in order to gain information about the size dependence of the catalytic reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol with sodium borohydride. Unexpectedly, CTAB-stabilized gold nanoparticles with a diameter of 13nm were most efficient in this complex system. In this context, molecular aspects such as shape, size of the substrate and ligand sphere were discussed as possible reasons for the enhanced activity for medium sized gold nanoparticles. Here, it was shown for the first time that the ligand sphere plays a crucial role in colloidal catalysis. Micellar catalysis with colloidal gold nanoparticles was performed by means of ligand exchange procedures. In addition, this thesis shows for the first time that intermediates can be unambiguously identified in the reaction solution with colloidal gold nanoparticles as catalysts. 4-N-hydroxylaminophenol was found to be the key intermediate in this system. In this context, three kinetic regimes which were crucial for the aromatic nitro reduction are found to cover the reaction kinetics. Thus, this thesis provides new insight into the catalytic process itself and leads to a better understanding of the catalytic activity of gold nanoparticles.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Ätzprozessen von alkalischen und insbesondere HF/HNO3-basierten Ätzmedien an Silicium (Si). Es wurden Ätzprozesse an kristallinen (c-Si) und besonders an amorph/kristallinen (a-Si:H/c-Si) Silicium-Strukturen mit Hilfe von in situ Photolumineszenz(PL)-Messungen untersucht. Diese ermöglichen eine Verfolgung der Veränderung der Grenzflächendefektdichte an der c-Si-Grenzfläche während der Ätzprozesse. Es wurde erstmals beobachtet, dass der über Ladungsträgerinjektion von Löchern in das Si ablaufende Ätzprozess in HNO3-reichen, HF/HNO3-basierten Ätzmedien eine temporäre Feldeffektpassivierung an der geätzten Grenzfläche verursacht, welche zu einer Verzögerung des eigentlichen Auflöseprozesses des Si führt. Die Anwendung dieser Ätzmedien erfolgte im Rahmen der Strukturierung von a-Si:H-Schichten auf c-Si zur Realisierung von interdigitierenden Kontaktstrukturen rückseitenkontaktierter a-Si:H/c-Si-Heterosolarzellen. Für diese Ätzprozesse konnte mit Hilfe von in situ PL-Messungen erstmalig eine in situ Prozesskontrolle etabliert werden. Der Ätzprozess kann exakt bei Erreichen der a-Si:H/c-Si-Grenzfläche gestoppt werden, wodurch die ätzbedingte Defektbildung an der resultierenden c-Si-Oberfläche minimiert wird. Als weiterer Themenschwerpunkt wurde eine Photolithographie-freie Nanostrukturierung von a-Si:H/c-Si-Strukturen durch metallkatalysiertes Ätzen (MAE) vorgestellt, wobei MAE erstmals auf a-Si:H angewandt wurde. Anhand von in situ PL-Messungen konnte ebenfalls eine, wenn auch geringere, Feldeffektpassivierung an der geätzten Grenzfläche im Zuge der Injektion von Löchern in das Si durch die katalytisch aktiven Ag Nanopartikel (AgNP) beobachtet werden. Mit den so steuerbaren MAE-Prozessen können a-Si:H-Schichten exakt bis zur a-Si:H/c-Si-Grenzfläche punktuell geöffnet werden. Auf diese Weise wurden p-Typ a-Si:H/c-Si-Heterosolarzellen mit einem punktförmigen Absorberkontakt erfolgreich realisiert. / This dissertation is concerned with wet chemical etching processes of silicon (Si) by alkaline and especially HF/HNO3 based etchants. The etching processes are applied to crystalline (c-Si) and amorphous/crystalline (a-Si:H/c-Si) samples and analyzed by in situ photoluminescence (PL) measurements. These measurements enable a monitoring of changes in the defect density at the c-Si interface during the etching processes. By etching of Si in HNO3-rich HF/HNO3 based etchants, a temporary field effect passivation at the etched c-Si surface by hole injection was established. It was detected by in situ PL measurements for the first time. This effect causes a delay of the actual dissolution of the Si. These etching processes were applied to structure a-Si:H layers on c-Si in order to establish interdigitated contacts for back contacted a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells. A process control for that kind of etch back processes was developed for the first time by in situ PL measurements. This method enables an exact termination of the etching processes with the arrival of the etching front at the a-Si:H/c-Si interface. Thus, etching induced defects at the resulting c-Si surface can be reduced. Finally this thesis focuses on the development of a photolithography-free approach for nanostructuring of a-Si:H/c-Si samples using metal assisted etching (MAE). In this context, MAE was applied to a-Si:H for the first time. In situ PL measurements also showed a temporary field effect passivation during MAE due to hole injection by the catalytically active Ag nanoparticles (AgNP). Here, this effect was less distinct because of only punctual etching by the AgNP. These designed MAE processes are used to selectively etch a-Si:H layers exactly down to the a-Si:H/c-Si interface. This process opens new doors to a novel fabrication technique for point contacted heterojunction solar cells. P-type a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells with point contacted back surface field are presented.

In vorliegender Arbeit wurden Synthese, Kristallstruktur und thermisches Verhalten von sauren und basischen Monofluorophosphate untersucht. Es wurden Salze mit Alkalimetall- und N-haltigen Kationen dargestellt und kristallographisch charakterisiert. Die Strukturen dieser Verbindungen wurden dann mit denen der isoelektronischen Hydrogensulfate verglichen. Mit Hilfe des Kationenaustausches und der Gefriertrocknung konnte ein erfolgreicher Syntheseweg fuer diese Verbindungen entwickelt werden. Die Gefriertrocknung hinderte die Abspaltung von HF und Kondensation des Phosphats und ermöglichte die Isolierung der Rohprodukte. Auf diesem Weg gelang die Darstellung der reinen Verbindungen in höherer Ausbeute, so daß es möglich wurde, die Substanzen mit unterschiedlichen Methoden zu untersuchen. Hergestellt und kristallographisch untersucht wurden folgende Verbindungen: - Hydrogenmonofluorophosphate mit × Alkalimetallkationen: Na, K, Rb, Cs × N-haltigen Kationen: NH4, NMe4, NH2Et2, NHEt3, [C(NH2)3], {HOC[NH(CH3)]2}, [H2N(CH2CH2)NH2], - basische Monofluorophosphate: Na2PO3F·10H2O und [C(NH2)3]2PO3F - gemischte Salze: Cs3(NH4)2(HPO3F)3(PO3F)2 und Na5[NMe4](PO3F)3·18H2O. Die Kristallstrukturen zeigen eine Vielzahl an Strukturtypen, definiert durch die Verknüpfung der verzerrten HPO3F Tetraeder über kurze O-H···O Wasserstoffbrückenbindungen zu Ketten, Dimere oder Tetramere. Diese sind ihrerseits über längere N-H···O und Ow-H···O Wasserstoffbrückenbindungen verknüpft. Kompliziertere Strukturmotive sind in den Strukturen der basischen Monofluorophosphate und der gemischten Salze zu finden. Allgemein werden nur Wasserstoffbrückenbindungen des Typs N-H...O und O-H...O gefunden, dagegen werden keine N-H···F Bindungen in den Strukturen beobachtet. Auch ist mehrheitlich keine Isotypie zwischen sauren und basischen Monofluorophosphaten einerseits und den entsprechenden Sulfaten andererseits zu finden. Isotyp sind nur die Strukturen [NMe4]HPO3F·H2O mit [NMe4]HSO4·H2O und Na2PO3F·10H2O mit Na2SO4·10H2O. Interessanterweise wurden genau in einer dieser isotypen Strukturen, nämlich der des Na2PO3F×10H2O, als Ausnahme zwei O-H···F Bindungen gefunden. Die O···F Abstände liegen im Bereich der Abstände der Ow···O Bindungen in der Struktur. Eine Erklärung für das seltene Auftreten von H-Brücken mit Fluor als Akzeptor ist eine fast vollständige Valenz des Fluors durch seine Bindung zum Phosphor. Mehrere Strukturen widerspiegeln diese Tatsache mit der Orientierung der P-F Bindung. Die Bindung wird nach inerten Stellen, wo kein Metall- oder Wasserstoffatom in der Struktur vorhanden ist, ausgerichtet, um ein weiteres Binden des Fluors (Metallkoordination, Wasserstoffbrückenbindung) zu vermeiden. Weiterhin wurde das thermische Verhalten der Verbindungen NaHPO3F, NaHPO3F·2.5H2O, CsHPO3F und [NHEt3]HPO3F untersucht. Dies erfolgte mit dem Ziel, Information über mögliche Phasenübergänge und die unterschiedlichen Zersetzungstypen zu bekommen. Sowohl der Kation wie auch die Anwesenheit von Kristallwasser haben Einfluß auf den thermischen Abbau. Die Na-Verbindungen zeigen eine Zersetzung über mehrere Schritte, die zu unterschiedlichen Endprodukten führt (Na3P3O9 für NaHPO3F und (NaPO3)n für das Hydrat). Im Vergleich dazu zersetzt sich CsHPO3F nach dem Schmelzen direkt zum Endprodukt, ohne stabile Zwischenprodukte zu bilden. Ähnlich verläuft der thermische Abbau der [NHEt3] Verbindung, die sich allerdings mit einem Masseverlust von 92,27%, also ohne Bildung eines signifikanten Endproduktes, vollständig zersetzt. Während des thermischen Abbaus wurde die Freisetzung von HF und H2O bei allen Verbindungen beobachtet, die sich aber bezüglich der Zersetzungstemperatur und -menge zwischen den Substanzen unterscheiden. Es wurden keine Phasenübergänge erster Ordnung beobachtet. Dies war insbesondere für CsHPO3F überraschend, da das isoelektronische Hydrogensulfat mehrere Phasenübergänge aufweist [2]. Das Ausbleiben von Phasenübergängen allgemein und auch für CsHPO3F wird folgendermassen erklärt. Während das Sulfat Bindungsmöglichkeiten an allen vier Ecken des SO4-Tetraeders hat, besitzt der (H)PO3F-Tetraeder nur eine begrenzte Flexibilität wegen der Anwesenheit von Fluor an einer Ecke. Fluor bevorzugt eine "isolierte" Position am Phosphor. Anhand der vorliegenden Ergebnisse kann die Schlußfolgerung gezogen werden, daß Fluor auf Grund seiner niedrigeren Valenz im Vergleich zu Sauerstoff andere strukturelle und funktionelle Charakteristika aufweist. Die Valenzunterschiede zwischen Sauerstoff und Fluor haben einen starken Einfluß auf das Wasserstoffbrückenbindungssystem in den Kristallstrukturen der Hydrogenmonofluorophosphate und folglich auf die "Nicht-Isotypie" zu den Hydrogensulfaten. / In this thesis, the crystal structures and thermal behavior of hydrogen monofluorophosphates and basic monofluorophosphates with alkali metal and N-containing cations were studied. A comparison to the analogous hydrogen sulfates showed interesting structural variations and differences in thermal behavior. Synthesis of the studied monofluorophosphates involved cation exchange and freeze drying. Freeze drying enabled the isolation of raw products by avoiding the escape of HF and consequent phosphate condensation. This method of preparation led to the synthesis of the hydrogen monofluorophosphates with the following cations: - the alkali metals: Na+, K+, Rb+, and Cs+, - N-containing cations: NH4+, [NMe4]+, [NH2Et2]+, [NHEt3]+, [C(NH2)3]+, {HOC[NH(CH3)]2}+, and [H2N(CH2CH2)NH2]2+, and the basic monofluorophoshates, Na2PO3F·10H2O and [C(NH2)3]2PO3F. The following mixed salts were also obtained with partial cation exchange: - Cs3(NH4)2(HPO3F)3(PO3F)2 - Na5[NMe4](PO3F)3·18H2O. In the crystal structures, the HPO3F tetrahedra were hydrogen-bonded to chains, dimers, and tetramers in the structures of the hydrogen monofluorophosphates. Extensive hydrogen bonding in the basic monofluorophosphates due to high amounts of crystal water led to more complicated structural motifs. Limitations on the bonding of fluorine were observed in each of the structures, whether it be metal coordination or hydrogen bonding. The valency of fluorine is filled by its bond to phosphorus and thus, generally, the fluorine atom does not participate in additional bonds. This explains why, for the most part, the hydrogen monofluorophosphates are not isostructural with the hydrogen sulfates. Only three atoms of the tetrahedron instead of four atoms are available for hydrogen bonding, which influences the crystal structure. This was further confirmed by the comparison of the decahydrates, Na2PO3F×10H2O and Na2SO4×10H2O, which are consequently isostructural based on two O-H×××F bonds formed in Na2PO3F·10H2O. These were the only hydrogen bonds found that involved fluorine as an hydrogen acceptor or donor. The investigations on the thermal behavior of NaHPO3F, NaHPO3F·2.5H2O, CsHPO3F, and [NHEt3]HPO3F found no first-order phase transitions. Stepwise decompositions were observed for the sodium salts, which was attributed to the formation of stable intermediates identified with simulated experiments. The Cs and [NHEt3] compounds demonstrated a direct decomposition postmelting. In general, the release of H2O from the melt occured at lower temperatures, while HF escaped at higher temperatures. The temperatures, at which this initially occured, and the first maximum observed were dependent on the cation and the presence of crystal water. The immediate decomposition of CsHPO3F after melting differs from that of the hydrogen sulfate, CsHSO4, which undergoes several phase transitions before decompositon. This suggests that the sulfate has more structural flexibility on the basis of the four oxygen corners of the tetrahedra. In comparison, the monofluorophosphate is limited in its bonding mobility due to the presence of fluorine on one of the tetrahedral vertices. Therefore, phase transitions are not observed prior to decomposition. It was concluded that fluorine functions differently in the crystal structures on the basis of its lower valency. Thus, the difference in valency between fluorine and oxygen affects the hydrogen bonding of the hydrogen monofluorophosphates and thus pervents the expected isotypy of the isoelectronic hydrogen monofluorophosphates and hydrogen sulfates.

Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung der Struktur von Materialien und ihrer Entwicklung unter in situ Bedingungen. Dabei werden nanoskopische Strukturmotive in amorphen, ungeordneten und porösen Festkörpern mit Hilfe von Kleinwinkelstreuungstechniken identifiziert und quantifiziert. Es werden drei verschiedene wissenschaftliche Fragestellungen bezüglich drei unterschiedlicher Materialsystemen diskutiert. Erstens wird die Nanostruktur von Dichtefluktuationen in hydriertem amorphen Silizium (a-Si:H) charakterisiert. In den untersuchten a-Si:H Materialien wurden zwei unterschiedliche in die a-Si:H-Matrix eingebettete Phasen identifiziert und anhand ihrer Streuquerschnitte quantifiziert. Diese neuen Ergebnisse beantworten eine seit 20 Jahren ungelöste Fragestellung über das a Si:H Material. Zweitens wird die Adsorption, Kondensation und Desorption von Xenon (Xe) in den Poren einer mesoporösen Silizium (Si) Membran untersucht. Dabei werden Xe-spezifischen Charakterisierungsmethoden eingesetzt. Die neuen Ergebnisse führen zu einem detaillierten Verständnis der Physisorption von Xe in porösem Silizium und zeigen deutliche Unterschiede zwischen Porenfüllungs- und Porenentleerungsmechanismen auf. Zuletzt wird die natürliche Alterung (NA) einer Aluminium-Magnesium-Silizium-Modelllegierung diskutiert. Die Streuexperimente weisen auf das Vorhandensein von Segregationszonen hin und unterstützen die Interpretation dieser Zonen als MgSi-Nanophasen in der Al-Matrix. / The investigation of material structures and their evolution under in situ conditions is the main focus of this work. Thereby, nanostructural motives in amorphous, disordered, and porous solids are identified and quantified using small-angle scattering techniques. Three different scientific questions concerning three different material systems are discussed. First, the nanostructure of density fluctuations in hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) is evaluated and quantified. Second, the adsorption, condensation, and desorption of xenon (Xe) confined in the pores of a mesoporous silicon (Si) membrane is studied in situ using Xe-specific characterization methods. Finally, the natural aging (NA) of an aluminum-magnesium-silicon model alloy (Al-0.6Mg-0.8Si) is discussed.

Mit der vorliegenden Arbeit wurden neue Erkenntnisse bei der Aufklärung der Mechanismen, die für die Reaktivität von Übergangsmetall- und Metalloxid-Clustern verantwortlich sind, gewonnen. Dies ist aus zwei Gründen gelungen: Zum einen erlaubt die gradienten-korrigierte Dichtefunktional-Methode eine zuverlässige Beschreibung von strukturellen und energetischen Eigenschaften dieser Cluster, insbesondere durch die Entwicklung einer neuen Generation von Hybrid-Austausch- und Korrelations-Funktionalen im Rahmen der verallgemeinerten Gradienten-Näherung. Diese wurden erstmalig in entsprechenden quantenchemischen Programmen implementiert und getestet. Zum zweiten stellte die fruchtbare Zusammenarbeit mit den experimentellen Bereichen, eine Herausforderung für die Theorie dar, mittels der gewonnenen Erkenntnisse zur konzeptionellen Planung der Experimente beizutragen (A. Fielicke, Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin, 2001). / In this work the transition metal and metal oxide clusters has been investigated with the aim of gaining a better insight into the mechanisms which govern their reactivity. The theoretical study of the structural and energetic properties of the clusters has been carried out within the framework of the density functional theory by means of a new family of gradient-corrected hybrid density functionals which has been coded for the first time into quantum chemistry packages. The theoretical findings stimulated the experimental investigation of the gas phase reactivity of these species which confirmed the correctness of the reaction mechanism models proposed (A. Fielicke, Doctoral Thesis, Humboldt-Universität zu Berlin, 2001).

Die kürzliche globale COVID-19-Pandemie hat deutlich gezeigt, dass hohe medizinische Kosten eine große Herausforderung für unser Gesundheitssystem darstellen. Daher besteht eine wachsende Nachfrage nach personalisierten tragbaren Geräten zur kontinuierlichen Überwachung des Gesundheitszustands von Menschen durch nicht-invasive Erfassung physiologischer Signale. Diese Dissertation fasst die Forschung zur Laserkarbonisierung als Werkzeug für die Synthese flexibler Gassensoren zusammen und präsentiert die Arbeit in vier Teilen. Der erste Teil stellt ein integriertes zweistufiges Verfahren zur Herstellung von laserstrukturiertem (Stickstoff-dotiertem) Kohlenstoff (LP-NC) ausgehend von molekularen Vorstufen vor. Der zweite Teil demonstriert die Herstellung eines flexiblen Sensors für die Kohlendioxid Erfassung basierend auf der Laserumwandlung einer Adenin-basierten Primärtinte. Die unidirektionale Energieeinwirkung kombiniert mit der tiefenabhängigen Abschwächung des Laserstrahls ergibt eine neuartige geschichtete Sensorheterostruktur mit porösen Transducer- und aktiven Sensorschichten. Dieser auf molekularen Vorläufern basierende Laserkarbonisierungsprozess ermöglicht eine selektive Modifikation der Eigenschaften von gedruckten Kohlenstoffmaterialien. Im dritten Teil wird gezeigt, dass die Imprägnierung von LP-NC mit Molybdäncarbid Nanopartikeln die Ladungsträgerdichte verändert, was wiederum die Empfindlichkeit von LP-NC gegenüber gasförmigen Analyten erhöht. Der letzte Teil erläutert, dass die Leitfähigkeit und die Oberflächeneigenschaften von LP-NC verändert werden können, indem der Originaltinte unterschiedliche Konzentrationen von Zinknitrat zugesetzt werden, um die selektiven Elemente des Sensormaterials zu verändern. Basierend auf diesen Faktoren zeigte die hergestellte LP-NC-basierte Sensorplattform in dieser Studie eine hohe Empfindlichkeit und Selektivität für verschiedene flüchtige organische Verbindungen. / The recent global COVID-19 pandemic clearly displayed that the high costs of medical care on top of an aging population bring great challenges to our health systems. As a result, the demand for personalized wearable devices to continuously monitor the health status of individuals by non-invasive detection of physiological signals, thereby providing sufficient information for health monitoring and even preliminary medical diagnosis, is growing. This dissertation summarizes my research on laser-carbonization as a tool for the synthesis of functional materials for flexible gas sensors. The whole work is divided into four parts. The first part presents an integrated two-step approach starting from molecular precursor to prepare laser-patterned (nitrogen-doped) carbon (LP-NC). The second part shows the fabrication of a flexible LP-NC sensor architecture for room-temperature sensing of carbon dioxide via laser conversion of an adenine-based primary ink. By the unidirectional energy impact in conjunction with depth-dependent attenuation of the laser beam, a novel layered sensor heterostructure with a porous transducer and an active sensor layer is formed. This molecular precursor-based laser carbonization method enables the modification of printed carbon materials. In the third part, it is shown that impregnation of LP-NC with molybdenum carbide nanoparticle alters the charge carrier density, which, in turn, increases the sensitivity of LP-NC towards gaseous analytes. The last part explains that the electrical conductivity and surface properties of LP-NC can be modified by adding different concentrations of zinc nitrate into the primary ink to add selectivity elements to the sensor materials. Based on these factors, the LP-NC-based sensor platforms prepared in this study exhibited high sensitivity and selectivity for different volatile organic compounds.