Das Wachstum von M. acetivorans mit Kohlenmonoxid (CO) als Energiesubstrat unterscheidet sich deutlich von dem anderer methanogener Archaeen. M. acetivorans kann während des Wachstums auf CO zwischen Methanogenese und Azetogenese wechseln. Ein wichtiges Enzym, welches den Kohlenstoff-Fluss im Energiestoffwechsel von M. acetivorans reguliert, ist die N5-Methyl-H4SPT:HS-CoM-Methyltransferase Mtr. Durch die Deletion dieses Enzyms konnte ein Stamm, MKOmtr3, erhalten werden, welcher prinzipiell azetogen auf CO wächst, aber geringe Mengen an zusätzlichen Methylgruppen benötigt. Es zeigte sich, dass das bei der Methylgruppen-Reduktion gebildete Heterodisulfid aus HS-CoB und HS-CoM höchstwahrscheinlich für (eine) essentielle anabole Reaktion(en) benötigt wird. In Zellsuspensionen mit MKOmtr3 wurde festgestellt, dass M. acetivorans aus CO kein Methan bildet, d.h. die Mtr-Reaktion nicht umgangen werden kann. Demgegenüber wurde bei Supplementation mit einem Methylgruppen-Donor CO2 gebildet. Mit Hilfe von [13C]-Markierung konnte gezeigt werden, dass das CO2 nicht aus dem Methylgruppen-Donor, sondern aus intrazellulären Speicherstoffen gebildet wird und die Methylgruppen als Elektronenakzeptor fungieren. Somit konnte in dieser Arbeit die von anderer Seite aufgestellte Hypothese, dass es einen cytoplasmatischen Mtr-Bypass gibt, widerlegt werden. Durch Selektion konnten mehrere Suppressoren von MKOmtr3 erhalten werden, welche in der Lage waren mit CO ohne zusätzliche Methylgruppen zu wachsen. Dabei wurde festgestellt, dass diese Stämme nur noch Spuren von Methan bildeten und somit ausschließlich azetogen wuchsen. Dem Suppressor MKOmtrSF fehlte HdrD, das aktive Zentrum der membranständigen Heterodisulfid-Reduktase (HdrED). Das Fehlen der bisher als essentiell bezeichneten HdrED konnte durch Quantifizierung der Enzymaktivität und gezielter Deletion der codierenden Gene bestätigt werden. Trotz der azetogenen Lebensweise von MKOmtrSF und MKOmtrhdr blieb Mcr essentiell, da es weder gelang das Enzym zu inhibieren, ohne die Lebensfähigkeit des Stammes zu verlieren, noch die codierenden Gene zu deletieren. Um einen maximalen Fluss der geringen Mengen an Heterodisulfid, welche von Mcr noch produziert wird, zum Anabolismus zu gewährleisten, wird anscheinend der Haupt-“Verbraucher“, HdrED, ausgeschaltet. In dieser Arbeit wurde somit erstmals gezeigt, dass die Methanogenese nicht zwangsläufig essentiell in methanogenen Archaeen ist, sondern durch eine Variante des reduktiven Azetyl-CoA-Weges ersetzt werden kann.:Abkürzungsverzeichnis 4 1. Einleitung 7 1.1 Methan 7 1.2 Methanogene und Methanogenese 7 1.2.1 Hydrogenotrophe Methanogenese 9 1.2.2 Methylotrophe Methanogenese 12 1.2.3 Azetiklastische Methanogenese 14 1.2.4 Carboxidotrophe Methanogenese 16 1.3 M. acetivorans als Modellorganismus 20 1.4 Ziele dieser Arbeit 23 2. Material und Methoden 25 2.1 Chemikalien 25 2.2 Anaerobes Arbeiten 25 2.3 Verwendete Mikroorganismen 26 2.4 Mikrobiologische Methoden 27 2.4.1 Kultivierung von E. coli 27 2.4.2 Kultivierung von M. acetivorans 28 2.4.3 Bestimmung der Zellausbeute 31 2.4.4 Herstellung von Zellsuspensionen von M. acetivorans 32 2.4.5 Herstellung elektroporationskompetenter E. coli-Zellen 33 2.4.6 Transformation von E. coli 33 2.4.7 Polyethylenglykol-vermittelte Transformation von M. acetivorans 34 2.4.8 Liposomen-vermittelte Transformation von M. acetivorans 35 2.5 Molekularbiologische Methoden 36 2.5.1 Plasmide 36 2.5.2 Oligonukleotide 38 2.5.3 Isolierung von Plasmiden 43 2.5.4 Isolierung von genomischer DNA 43 2.5.5 Restriktionsverdau 44 2.5.6 Ligation mehrerer DNA-Fragmente 44 2.5.7 Cointegration von pAMG40 in pDN201-Derivate 45 2.5.8 Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR) 45 2.5.9 Agarose-Gelelektrophorese 46 2.5.10 Sequenzierung von DNA 47 2.6 Analyse von Proteinen 47 2.6.1 Auftrennung von Proteinen mittels SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese 47 2.6.2 Bestimmung der Proteinkonzentration 48 2.6.3 Proteomanalyse 49 2.6.4 Bestimmung der Fumarat-Reduktase-Aktivität 51 2.6.5 Bestimmung der Heterodisulfid-Reduktase-Aktivität 52 2.7 Quantifizierung von Metaboliten 53 2.7.1 Quantifizierung gasförmiger Metabolite 53 2.7.2 Quantifizierung gelöster Metabolite 55 3. Ergebnisse 57 3.1 Wachstum von M. acetivorans M42 57 3.2 Deletion der Molybdän-abhängigen Formylmethanofuran-Dehydrogenasen 61 3.2.1 Deletion von Fmd1 61 3.2.2 Phänotypische Analyse von MKOfmd1 62 3.2.3 Deletion von Fmd2 64 3.3 Deletion der Formyltransferase Ftr 64 3.4 Deletion der Methyltransferase Mtr 67 3.4.1 Wachstum von MKOmtr3 mit Azetat + MeOH 67 3.4.2 Wachstum von MKOmtr3 mit CO + MeOH 70 3.5 Analyse von möglichen Mtr-Bypässen 74 3.5.1 Metabolitenbildung in Zellsuspensionen aus CO, MeOH und Trimethylamin 74 3.5.2 Deletion von Mtr in DmtsDFH 77 3.5.3 Markierung mit [13C]-MeOH 79 3.6 Überwindung der Methylgruppen-Abhängigkeit von MKOmtr3 82 3.6.1 Ersatz von MeOH bei Wachstum auf CO 82 3.6.2 Genom-Analyse von ausgewählten Suppressoren 85 3.6.3 Proteom-Analyse von ausgewählten Suppressoren 91 3.6.4 Physiologie von MKOmtrSF 96 3.6.5 Komplementation von MKOmtrSF mit MA2238 100 3.6.6 Fumarat-Reduktase-Aktivität in M. acetivorans? 101 3.6.7 Abhängigkeit der Azetogenese vom Elektronentransport über die Zellmembran 101 3.7 Deletion der Heterodisulfid-Reduktase HdrED1 in MKOmtrSF 103 3.7.1 Anpassung der PEG-Transformationsmethode für MKOmtrSF 103 3.7.2 Konstruktion des Stammes MKOmtrhdr und dessen Wachstum 104 3.7.3 Heterodisulfid-Reduktase-Aktivität in M. acetivorans 105 3.8 Untersuchung der Essentialität von Mcr in MKOmtrSF 107 3.8.1 Inhibierung mit Bromethansulfonat und 3-Nitrooxy-Propanol 107 3.8.2 Deletion der Methyl-S-CoM Reduktase Mcr 109 4. Diskussion 113 4.1 Die Formiatbildung von M. acetivorans beim Wachstum auf CO 113 4.2 Methanogenese oder Azetogenese – die Rolle von Mtr als „Schalter“ 116 4.3 In M. acetivorans gibt es keinen cytoplasmatischen Mtr-Bypass 117 4.4 Die Abhängigkeit von MKOmtr3 von Methylgruppen und wie diese umgangen werden konnte 118 4.4.1 Der Verlust von MA2238 118 4.4.2 Der Verlust von MA2285 in MKOmtrSF 119 4.5 Katabole Methyl-Reduktion von MKOmtr3 120 4.6 Eine anabole Rolle von CoB-S-S-CoM in M. acetivorans? 120 4.7 Woher kommt CH3-S-CoM in MKOmtrSF? 122 4.8 Benötigt M. acetivorans für die Azetogenese Elektronentransport über die Membran? 123 4.9 Nichtmethanogenes Wachstum von M. acetivorans 127 4.10 Warum findet sich bisher kein ausschließlich mit Azetogenese wachsendes Archaeon? 128 4.11 Anwendungsmöglichkeiten für ein azetogenes Archaeon 132 Kurzfassung 137 Literaturverzeichnis 138 Anhang 154 Lebenslauf & Publikationen 163 Danksagung 164 Erklärung 165

Die Broschüre gibt Empfehlungen für den optimalen Wachstumsverlauf von Kälbern und Jungrindern. Im Zeitraum von 2004 bis 2014 wurde die Wirkung unterschiedlich intensiver Aufzuchtverfahren, die Nutzung der Mähstandweide für Jungrinder sowie die Bewegungsaktivität bei Jungrindern im Stall und auf der Weide untersucht. Der Wachstumsverlauf von Aufzuchtrindern beeinflusst maßgeblich die Qualität der zur Reproduktion des Kuhbestandes bereitgestellten Färsen. Deshalb sollten alle Möglichkeiten genutzt werden, um ein intensives Wachstum der Kälber zu realisieren, spätestens ab der Geschlechtsreife die Nährstoffkonzentration zu drosseln und technologisch bedingte Verzögerungen zu vermeiden.

In der vorliegenden Arbeit wurde das hygroskopische Wachstum sowie das Aktivierungsverhalten von biogenen sekundären organischen Aerosolpartikeln (SOA) betrachtet. Ziel der Arbeit war es, für verschiedene Arten von SOA eine rechnerische Schließung der hygroskopischen Wachstumsfaktoren, für den Bereich von relativen Feuchten > 90 %, sowie dem Aktivierungspunkt zu Wolkentropfen, mittels der Köhlergleichung zu erreichen. Betrachtet wurden SOA-Partikel, welche über dunkle Ozonolyse (ohne Vorhandensein von Licht) sowie Photolyse von alpha-Pinen in Laborversuchen, unter Variation der Reaktionsbedingungen, gebildet wurden. Mit zwei Messgeräten – dem High Humidity Tandem Differential Mobility Analyzer (HHTDMA) und dem Leipzig Aerosol Cloud Interaction Simulator (LACIS) – wurde das hygroskopische Wachstum bei relativen Feuchten von 80 % bis 99,4 % untersucht. Die kritische Übersättigung im Aktivierungspunkt der Partikel zu Wolkentropfen wurde mit einem Cloud Condensation Nuclei Counter (CCNC) bestimmt. Weiterhin kam zur chemischen Charakterisierung der verschiedenen SOA-Arten ein Aerosol-Massenspektrometer (AMS) zum Einsatz. Die experimentellen Arbeiten hierzu wurden am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung durchgeführt. Anhand von Schließungsrechnungen konnte für alle in der vorliegenden Arbeit untersuchten SOA-Arten gezeigt werden, dass der Hygroskopizitätsparameter kappa aus der kappa-Köhlertheorie mit zunehmender relativer Feuchte variiert. So nahm mit zunehmender relativer Feuchte zunächst ab und stieg, nach Erreichen eines Minimums bei Werten von etwa 96 – 98 % relativer Feuchte, anschließend steil an. Dabei zeigte sich dieser Kurvenverlauf abhängig von den Reaktionsbedingungen bei der Bildung der SOA-Partikel. Der Hygroskopizitätsparameter konnte dabei mit einer im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Funktion für alle hier untersuchten SOA-Arten beschrieben werden. In einem letzten Schritt wurde diese Funktion zur Beschreibung von mittels der O/C-Verhältnisse, welche aus den AMS-Messungen ermittelt wurden, parametrisiert. Somit konnten die gemessenen Werte der verschiedenen SOA-Arten besonders für relative Feuchten nahe dem Aktivierungspunkt erfolgreich beschrieben werden.

Die regionale altersstrukturelle Zusammensetzung in Europa und Deutschland ist sehr heterogen. In der Literatur werden viele Diskussionen darüber geführt, wie sich unter anderem Regionen in Zukunft entwickeln werden und ob es ggf. zu einer Entvölkerung einzelner Gebiete kommt. Allerdings sind bisher nur selten Untersuchungen vorgenommen worden, welche die Auswirkungen der altersstrukturellen Zusammensetzung auf die regionale Produktivität und das regionale Wachstum sind. Diese Lücke wird im Rahmen dieser Arbeit weiter vervollständigt. Zunächst wird ein neoklassisches Wachstumsmodell in Anlehnung an Mankiw, Romer und Weil (1992) angewandt und um öffentliche Investitionen erweitert. Das Untersuchungsfeld sind europäische und deutsche Regionen. Im Anschluss wird untersucht, inwiefern die regionale Altersstruktur Humankapitalexternalitäten generiert. Hierzu wird eine Produktionsfunktion in Anlehnung an Lucas (1988) geschätzt. Anschließend wird ein simultanes Gleichungssystem für eine Schätzgleichung motiviert, die der Arbeit von Baldwin (1999) folgt. Es zeigt sich, dass Unterschiede in der regionalen Produktivität und des Wachstums durch altersstrukturelle Variationen erklärt werden kann. / The composition of the regional age pattern of the population and labour force within Europe and Germany is quiet heterogenous. Within the existing literature there is a debate on regional development and the possibility of depopulation. However, there is only limited evidence on the effect of the composition of the age pattern on regional productivity and growth. The aim of this work is to fill this gap. To adress this issues an augmented neoclassical growth model of Mankiw, Romer and Weil (1992) is applied. Additionally, public spendings are controlled for. The model is tested on European and German regions. The next section focuses on productivity, esp. whether the age structure of human capital effects human capital externalities. First, a production function in a Lucas (1988) fashion is estimated. Second, a simultaneous equation model based on the conceptual ideas of Baldwin (1999) is applied. One can conclude that differences in regional productivity and growth is due to variation of the age pattern of the labour force and population.

Sterol is an abundant component of eukaryotic cell membranes and is thought to influence membrane properties such as permeability, fluidity and microdomain formation. Drosophila is an excellent model system in which to study functional requirements for membrane sterol because, although it does not synthesize sterol, it nevertheless requires sterols to complete development. Moreover, Drosophila normally incorporates sterols into cell membranes. Thus, dietary sterol depletion can be used to specifically reduce membrane sterol levels. In contrast, vertebrates do synthesize cholesterol. In this way, sterol depletion in vertebrates demand the use of approaches such as chemical extractions, drug treatments or genetic manipulation which are prone to have side effects. We have controlled the level and type of dietary sterol available to developing Drosophila larvae in order to investigate the requirement for sterol in cell membranes, and to distinguish it from the function of sterol as a precursor for signaling molecules. Strikingly, we show that membrane sterol levels can be reduced 6-fold in most tissues without affecting cell or larval viability. Larvae respond to sterol depletion by arresting their growth and development, and by increasing the level of specific sphingolipid variants that promote survival when sterol is scarce. Thus, non-sterol lipids are able to substitute for sterols in the maintenance of basic membrane biophysical properties required for life. Despite this, Drosophila larvae regulate their growth to maintain membrane sterol levels within tight limits. The existence of this novel membrane sterol-dependent growth control mechanism indicates an important role for bulk membrane sterol in the tissue specific functions of differentiated cells.

Xenobiotics are of human and environmental concerns due to their potential toxicity. Octylphenol is one of the very common and daily used xenobiotics in door and out door activities of human beings. Toxicity of octylphenol to aquatic organisms, especially to zooplankton (e.g. Daphnia magna) was investigated but not fully understood. In this study we evaluated the chronic effects of octylphenol at the concentrations of 5, 50 and 500 μg L-1 on Daphnia magna over a period of 14 days. The results showed that low concentration of octylphenol (5 μg L-1) stimulated the maturation while high concentrations of the chemical (50 and 500 μg L-1) caused a significant mortality to the Daphnia. Besides, all the tested concentrations of octylphenol had serious impacts on fecundity and growth of the animals. Investigations on the presence, distribution, fate and toxicity of xonobiotics including octylphenol in the developing country environment are suggested for human, environmental and ecological health protection. / Những hợp chất tổng hợp đang là mối quan ngại cho con người và môi trường vì khả năng gây độc của chúng. Octylphenol là một trong những hợp chất tổng hợp được sử dụng phổ biến và thường xuyên trong những hoạt động của con người trong nhà và ngoài trời. Độc tính của octylphenol đối với thủy sinh vật, đặc biệt đối với động vật phù du (vd. Daphnia magna) mặc dù đã được nghiên cứu nhưng vẫn chưa được hiểu biết đầy đủ. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đánh giá ảnh hưởng mãn tính của octylphenol ở các nồng độ 5, 50 và 500 μg/lít lên Daphnia magna trong thời gian 14 ngày. Kết quả cho thấy ở nồng độ octylphenol thấp (5 μg/lít) kích thích sự thành thục của sinh vật trong khi ở nồng độ cao hơn (50 và 500 μg/lít) gây chết đáng kể Daphnia. Bên cạnh đó, tất cả các nồng độ ocytlphenol dùng trong thí nghiệm gây ảnh hưởng nghiêm trọng lên sức sinh sản và sinh trưởng của sinh vật. Nghiên cứu về sự hiện diện, phân bố, phát tán và độc tính của những chất tổng hợp bao gồm octylphenol ở các nước đang phát triển nên được tiến hành vì mục tiêu bảo vệ sức khỏe con người, môi trường và hệ sinh thái.

In mehrjährigen Gefäß- und Feldversuchen wurde der Einfluß von selektierten arbuskulären Mykorrhizapilzen (Glomus ssp. VAM3, Glomus intraradices Isolat 49) und assoziativen Rhizosphärenbakterien (Pseudomonas fluorescens PsIA12, Agrobacterium rhizogenes A1A4, Rhizobium trifolii R39, Stenotrophomas maltophilia PsIB2 und PsI2) einzeln und kombiniert auf das Wachstum und den Zierwert von ein- und mehrjährigen Zierpflanzen für den urbanen Bereich untersucht. Auf urbanen streßbelasteten Standorten führten diese Rhizosphärenmikroorganismen ohne zusätzliche Mineraldüngung zur Förderung von Wachstum und Zierwert bei Zierpflanzen. Frühzeitige Inokulationen zur Aussaat bzw. Pflanzung verkürzten die Pflanzenanzucht und reduzierten Pflanzenausfälle. Die drei Pflanzenarten reagierten unterschiedlich. Die deutlichsten Effekte wurden bei Tagetes durch Einzelinokulationen erzielt. Es zeichneten sich sortenspezifische Reaktionen ab. Bei Miscanthus waren Kombinationen von Mikroorganismen wirksam und förderten das Wachstum über drei Jahre. Nicht eindeutig reproduzierbar waren die Wirkungen bei Gladiolen, der Zierwert wurde positiv beeinflußt. Alle Bakterienstämme produzierten in Reinkultur Auxine und z.T. Cytokinine. Zwischen Phytohormonbildung, Mykorrhizierung der Wurzeln, Wurzelbesiedlung durch die autochthone Mikroflora und Wurzelstimulierung zeichneten sich wiederholt positive Wechselwirkungen ab. Von Ackerstandorten isolierte Bakterien waren auch auf urbanen nährstoffarmen Standorten wirksam. Die Bakterien besiedelten die Rhizosphäre von Tagetes und Gladiolen während der Vegetationsperiode im Freiland. Nach einjähriger Trockenlagerung des Bodens besiedelten PsIA12 und PsIB2 erneut die Rhizosphäre der nichtinokulierten Tagetes. / In long-term pot and field trials the influence of selected arbuscular mycorrhizal fungi (Glomus ssp. VAM3, Glomus intraradices Isolat 49) and associative rhizosphere bacteria (Pseudomonas fluorescens PsIA12, Agrobacterium rhizogenes A1A4, Rhizobium trifolii R39, Stenotrophomas maltophilia PsIB2 and PsI2), single and in combination, on growth and ornamental value of annual and perennial ornamental plants under urban conditions was tested. These rhizosphere microorganisms did stimulate growth and ornamental value of ornamental plants without the additon of mineral fertilizers on urban stressed sites. An early inoculation during seeding or planting did shorten plant cultivation and reduced plant losses. The three plant species did respond differently. The most obvious effects were achieved by single inoculation on Tagetes. Variety specific reactions did occur. Combination of microorganisms was effective on Miscanthus and did stimulate growth over three years. The effects on Gladiolus were not repeatable but ornamental value was stimulated. All bacteria strains did produce Auxin and partially Cytokinin in pure culture. Between phytohormone production, root mycorrhization and root colonization by the autochthonous microflora positive interactions did occur. Bacteria isolated from agricultural sites were also effective on oligotrophic urban sites. The bacteria did establish in the rhizosphere of Tagetes and Gladiolus over the vegetation period on the field. After one year dry storage of the soil PsIA12 and PsIB2 did re-establish in the non-inoculated Tagetes rhizosphere.

Diese Arbeit beschreibt das MBE-Wachstum und die Charakterisierung von Gruppe-III-Nitrid-Nanostrukturen. Die Arbeit beginnt mit dem katalysatorfreien Wachstum von GaN-Nanowires (NW) auf Si(111) mittels MBE. Es wird gezeigt, dass GaN NW als sph\"arische Inseln nukleieren und im weiteren Wachstum in eine NW-Geometrie übergehen. Die amorphe Zwischenschicht führt zum Verlust der epitaktischen Ausrichtung und somit zu gekippten Säulen und Koaleszenz. Diese Koaleszenz führt zur Enstehung von Versetzungen und Stapelfehlern in den Nanosäulen, welche einen starken Einfluss auf die optischen Eigenschaften haben: Während Versetzungen die Säulen optisch passivieren, haben Stapelfehler charakteristische Emissionen. Durch Kombination von Elektronenmikroskopie und Cathodolumineszenz wird die charateristische Wellenlänge eines Stapelfehlers gemessen. Epitaktisches Wachstum von GaN auf Si(111) kann durch die Verwendung einer AlN-Pufferschicht erreicht werden. Die Nukleation von GaN auf AlN/Si geschieht als linsenförmige Inseln. Im weiteren Verlauf des Wachstums erfolgen mehrere charakteristische Formübergänge, bei denen Facetten gebildet werden, um die Verspannung durch Gitterfehlanpassung elastisch zu relaxieren. Bei einer kritischen Inselgröße (und damit bei einem kritischen Spannungszustand) tritt eine platische Relaxation ein und es wird eine Versetzung an der AlN/GaN-Grenzfläche gebildet. Daraufhin tritt ein Übergang zur NW-Geometrie ein. Der dritte Teil dieser Arbeit beschreibt das Wachstum von (In,Ga)N/GaN NW Heterostrukturen. Mit MBE werden GaN NW mit zwei (In,Ga)N-Einschlüssen gewachsen. Die chemische Zusammensetzung wird mittels einer Kombination von hochauflösender Röntgenbeugung und einer Gitterverzerrungsanalyse von hochaufgelösten transmissionselektronenmikroskopischen Aufnahmen bestimmt. Die Strukturanalyse zeigt, dass die (In,Ga)N-Einschlüsse vollkommen in die GaN-Matrix eingebettet sind, und dass keine plastische Relaxation stattfindet. / This work covers the MBE growth and characterization of group III-nitride nanostructures. The work begins with the catalyst-free growth of GaN nanowires (NWs) on Si(111) by plasma-assisted MBE. The importance of substrate preparation and the formation of an amorphous SiN interlayer are described. GaN NWs are shown to nucleate as spherical islands and to furhter undergo a shape transition towards the NW geometry. The amorphous interlayer leads to a loss in epitaxial alignment and thus to NW tilt and coalescence. Coalescence leads to the formation of dislocations and stacking faults (SFs) in the NWs which greatly affect their optical properties. Dislocations are shown to have a detrimental effect on the optical quality, whereas SFs are shown to have a characteristic emission wavelength. Epitaxial growth of GaN on Si(111) can be achieved by using an AlN buffer layer. The nucleation and growth GaN NWs on AlN-buffered Si(111) is shown to happen via the pseudomorphical nucleation of spherical islands. As these islands grow, they undergo several characteristical shape changes, with the formation of facets in order to elastically relieve the lattice-mismatch induced strain. At a critical island size (and thus strain level), plastic relaxation happens by the formation of a misfit dislocation at the AlN/GaN interface. A subsequent transition to the NW geometry is observed, driven by the anisotropy of surface energies. The third part of this work covers the growth of (In,Ga)N/GaN NW heterostructures. GaN NWs with two stacked (In,Ga)N insertions are grown by MBE. The chemical composition is assessed by combining synchrotron-based HRXRD and a geometrical phase analysis of HRTEM micrographs. The structural analysis reveals that the (In,Ga)N insertions are embedded in the GaN matrix and that no plastic relaxation happens. The In content is shown to vary within a single insertion: The top region is more In rich due to In segretation during growth.

In dieser Arbeit wurde das reaktive Anlassen von dünnen Kupfer-Indium-Schichten in elementarem Schwefel mittels energiedispersiver Röntgenbeugung untersucht. Durch die simultane Aufnahme der Röntgenspektren und der Messung der diffusen Reflexion von Laserlicht der Wellenlänge 635 nm an der Oberfläche der Probe während des Schichtwachstums von CuInS<SUB>2</SUB> konnte eine Methode zur Prozesskontrolle für ein Herstellungsverfahren von CuInS<SUB>2</SUB> etabliert werden. <br><br>Die Bildung von CuInS<SUB>2</SUB> aus Kupfer-Indium-Vorläuferschichten wird dominiert von Umwandlungen der intermetallischen Phasen. CuInS<SUB>2</SUB> wächst innerhalb der Aufheizperiode ab einer Temperatur von ca. 200°C aus der Phase Cu₁₁In₉. Jedoch zerfällt letztere metallische Phase in Cu₁₆In₉ und flüssiges Indium bei einer Temperatur von ca. 310°C. Das flüssige Indium reagiert im Falle von Kupferarmut mit dem Schwefel und führt zu einem zusätzlichen Reaktionspfad über InS zu CuIn₅S₈. Unter Präparationsbedingungen mit Kupferüberschuss wird das Indium in einer intermetallischen Phase gebunden.<br><br>Erstmals konnte die Phase Digenite bei Temperaturen über 240°C beobachtet werden. Beim Abkühlen auf Raumtemperatur wandelt sich diese Phase unter dem Verbrauch von Schwefel in Covellite um.<br><br>Für Proben mit Kupferüberschuss konnte eine Wachstumskinetik proportional zur Temperatur beobachtet werden. Dieses Verhalten wurde durch eine stress-induzierte Diffusion als dominierenden Reaktionsmechanismus interpretiert. Dabei werden während der Bildung von CuInS<SUB>2</SUB> durch unterschiedliche Ausdehnungen der metallischen und sulfidischen Schichten eine Spannung in der CuInS<SUB>2</SUB>-Schicht induziert, die nach Überschreiten einer Grenzspannung zu Rissen in der CuInS₂-Schicht führt. Entlang dieser Risse findet ein schneller Transport der Metalle zur Oberfläche, wo diese mit dem Schwefel reagieren können, statt. Die Risse heilen durch die Bildung neuen Sulfids wieder aus. / In this work the reactive annealing of thin copper and indium films in elemental sulphur was investigated by energy dispersive X-ray diffraction. Measuring simultanously laser light diffusively reflected from the growth surface, a simple method for process monitoring could be established. The process monitoring using 635 nm laser light can now independently be used in production.<br><br>The growth of CuInS<SUB>2</SUB> from copper-indium precursors is dominated by transitions between intermetallic phases. CuInS<SUB>2</SUB> growths in the heat up period above 200 °C from the phase Cu<SUB>11</SUB>In<SUB>9</SUB>. However the latter metallic phase decomposes into Cu<SUB>16</SUB>In<SUB>9</SUB> and liquid indium at a temperature of 310 °C. The liquid indium reacts in the case of copper deficiency with sulphur to InS. This leads to an additional reaction path via InS to CuIn<SUB>5</SUB>S<SUB>8</SUB>. Under preparation conditions with copper excess to the contrary, indium is bound in an intermetallic phase.<br><br>For the first time the phase Digenite could be observed in a growth experiment at temperatures above 240 °C. During cool down to room temperature this phase transforms to Covellite by consumption of sulphur.<br><br>For samples with copper excess a growth kinetic proportional to the temperature was observed. This behaviour is interpreted by a stress induced reaction mechanism: During the formation of CuInS<SUB>2</SUB>, strain in the CuInS<SUB>2</SUB> thin film is induced due to different expansion coefficients of the metallic and sulphurous phases. After transgression of a certain strain limit, cracks within CuInS<SUB>2</SUB> are formed. Along these cracks, fast transport of metallic species to the surface can occur. There these species can react with the sulphur. The cracks can heal up by the formation of new sulphides.

Organic solar cells (OSC) are interesting as low cost alternative to conventional solar cells. Unsubstituted Metal-phthalocyanines (Pc) are excellent electron donating molecules for heterojunction OSC. Usually organic solar cells with Pcs are produced by vapor deposition, although solution based deposition (like spin casting) is cheaper and offers more possibilities to control the structure of the film. With solution based deposition several parameters (like temperature, solvent and etc.) affect the self-organized structure formation via nucleation and growth. The reason why vapor deposition is typically used is the poor solubility of the metal-phthalocyanines in most common solvents. Furthermore the process of nucleation and growth of Pc aggregates from solution is not well understood. For preparation of Pc films from solution, it is necessary to find the appropriate solvents, assess the solution deposition techniques, such as dip coating, and spin casting. It is necessary to understand the nucleation and growth process for aggregation/precipitation and to use this knowledge to produce nanostructures appropriate for OSC. This is important because the nanostructure of the films determines their performance. In this thesis, optical absorption and the stability of 8 different unsubstituted metal Pc’s were studied quantitatively in 28 different solvents. Among the several solution based deposited thin films produced based on this study, copper phthalocyanine (CuPc) dissolved in trifluoroacetic acid (TFA) is chosen as a model system for an in-depth study. CuPc has sufficient solubility and stability in TFA and upon solution processing forms appropriate structures for OSCs. CuPc molecules aggregate into layers of nanoribbons with a thickness of ~ 1 nm and an adjustable width and length. The morphology and the number of deposited layers in the thin films are controlled by different parameters, like temperature and solution concentration. Material properties of CuPc deposited from TFA are studied in detail via x-ray diffraction, UV-Vis and FT-IR spectroscopy. Atomic force microscopy was used to study the morphology of the dried film. The mechanism of the formation of CuPc nanoribbons from spin casted CuPc/TFA solution in ambient temperature is investigated and explained. The parameters (e.g. solution concentration profile) governing nucleation and growth are calculated based on the spin casting theory of a binary mixture of a nonvolatile solute and evaporative solvent. Based on this and intermolecular interactions between CuPc and substrate a nucleation and growth model is developed explaining the aggregation of CuPc in a supersaturated TFA solution. Finally, a solution processed thin film of CuPc is applied as a donor layer in a functioning bilayer heterojunction OSC and the influence of the structure on OSC performance is studied. / In den vergangenen Jahren wurden kosteneffiziente nasschemische Beschichtungsverfahren für die Herstellung organischer Dünnfilme für verschiedene opto-elektronische Anwendungen entdeckt und weiterentwickelt. Unter anderem wurden Phthalocyanin-Moleküle in photoaktiven Schichten für die Herstellung von Solarzellen intensiv erforscht. Aufgrund der kleinen bzw. unbekannten Löslichkeit wurden Phthalocyanin-Schichten durch Aufdampfverfahren im Vakuum hergestellt. Des Weiteren wurde die Löslichkeit durch chemische Synthese erhöht, was aber die Eigenschaften von Pc beeinträchtigte. In dieser Arbeit wurde die Löslichkeit, optische Absorption und Stabilität von 8 verschiedenen unsubstituierten Metall-Phthalocyaninen in 28 verschiedenen Lösungsmitteln quantitativ gemessen. Wegen ausreichender Löslichkeit, Stabilität und Anwendbarkeit in organischen Solarzellen wurde Kupferphthalocyanin (CuPc) in Trifluoressigsäure (TFA) für weitere Untersuchungen ausgewählt. Durch die Rotationsbeschichtung von CuPc aus TFA Lösung wurde ein dünner Film aus der verdampfenden Lösung auf dem Substrat platziert. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels, die Nanobändern aus CuPc bedecken das Substrat. Die Nanobänder haben eine Dicke von etwa ~ 1 nm (typische Dimension eines CuPc-Molekül) und variierender Breite und Länge, je nach Menge des Materials. Solche Nanobändern können durch Rotationsbeschichtung oder auch durch andere Nassbeschichtungsverfahren, wie Tauchbeschichtung, erzeugt werden. Ähnliche Fibrillen-Strukturen entstehen durch Nassbeschichtung von anderen Metall-Phthalocyaninen, wie Eisen- und Magnesium-Phthalocyanin, aus TFA-Lösung sowie auf anderen Substraten, wie Glas oder Indium Zinnoxid. Materialeigenschaften von aufgebrachten CuPc aus TFA Lösung und CuPc in der Lösung wurden ausführlich mit Röntgenbeugung, Spektroskopie- und Mikroskopie Methoden untersucht. Es wird gezeigt, dass die Nanobänder nicht in der Lösung, sondern durch Verdampfen des Lösungsmittels und der Übersättigung der Lösung entstehen. Die Rasterkraftmikroskopie wurde dazu verwendet, um die Morphologie des getrockneten Films bei unterschiedlicher Konzentration zu studieren. Der Mechanismus der Entstehung der Nanobändern wurde im Detail studiert. Gemäß der Keimbildung und Wachstumstheorie wurde die Entstehung der CuPc Nanobänder aus einer übersättigt Lösung diskutiert. Die Form der Nanobändern wurde unter Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen den Molekülen und dem Substrat diskutiert. Die nassverarbeitete CuPc-Dünnschicht wurde als Donorschicht in organischen Doppelschicht Solarzellen mit C60-Molekül, als Akzeptor eingesetzt. Die Effizienz der Energieumwandlung einer solchen Zelle wurde entsprechend den Schichtdicken der CuPc Schicht untersucht.