Thin membranes with dense periodic arrays of nanoscopic voids were fabricated using the principles of supramolecular assembly and self-organization in polymers. Such nanoporous membranes can be used as templates for synthesis and patterning of various organic and inorganic materials. In this thesis 4-vinylpyridine fragments of polystyrene-block-poly(4-vinylpyridine) (PS-PVP) were associated with the molecules of two different low molar mass additives, 2-(4'-hydroxybenzeneazo)benzoic acid (HABA) and 3-n-pentadecyl phenol (PDP), via hydrogen bonds. The choice of an additive and a solvent is a key factor which influences the morphologies of the PS-PVP+HABA associates (supramolecular assemblies) in thin films. The reversible association via hydrogen bonds allows the amphiphilic molecules of PDP to phase segregate on the free air interface. Unlike, the molecules of HABA remain associated within cylindrical and lamellar domains formed by the PVP block. A solvent used for film deposition influences the orientation of PVP+HABA domains with respect to the confining interfaces. The films deposited from 1,4-dioxane – a good solvent for PS and a bad one for PVP+HABA – demonstrated the perpendicular orientation of PVP+HABA domains. Meanwhile, the preparation of films from a chloroform solution – a good solvent for both PS and PVP+HABA – led to the parallel alignment. The orientation was independent on the film thickness (within the studied range of 20–100 nm) and insensitive to the chemical nature of a substrate. The orientation of the domains was shown to switch upon exposure to vapors of the above mentioned solvents from the parallel to perpendicular orientation and vice versa. Moreover, the swelling of the films in solvent vapors resulted in the significant improvement of the domain ordering. Extraction of HABA with selective solvent transformed of PVP+HABA domains into channels with reactive PVP chains on the walls. The resulted membranes with the perpendicular oriented channels (the diameter about 8 nm, the inter-channel distance 24 nm) were used as a template for the creation of ordered arrays of nanodots from nickel, chromium and gold.

In dieser Arbeit wurden mit der gepulsten Laserdeposition Nd-Fe-B-Schichten abgeschieden. Diese Schichten wurden auf einem geheizten Substrat deponiert und reagierten zu der hart-magnetischen Nd2Fe14B-Phase. Eine weitere Phase in den Schichten ist Neodym aufgrund der überstöchiometrischen Abscheidung von Neodym zur Unterstützung der Phasenbildung von Nd2Fe14B und zur Entkoppelung der Nd2Fe14B-Körner. Für die Mikrostruktur und die magnetischen Eigenschaften der Schichten sind die Grenzflächen zum Substrat und zur Umgebung von entscheidender Bedeutung, da sich die überwiegende Anzahl der Körner im Kontakt mit zumindest einer der beiden Grenzflächen befindet. Aus diesem Grund stand die Untersuchung des Einflusses der Grenzflächen auf das Wachstum, die Mikrostruktur und die magnetischen Eigenschaften der Nd-Fe-B-Schichten im Mittelpunkt der Arbeit. Die Nd-Fe-B-Schichten wurden sowohl auf Chrom- als auch auf Tantalbuffern deponiert. Ein Buffer wurde zur Einstellung der Mikrostruktur und zum Schutz der Nd-Fe-B-Schicht vor Diffusion und Reaktionen mit den Elementen des Substrates benutzt. Die Untersuchungen zeigten, dass der Chrombuffer diese Bedingungen nur unzureichend erfüllt. Die Schichten, die auf dem Tantalbuffer deponiert wurden wachsen bei tiefen Depositionstemperaturen als zusammenhängende Schicht auf und zeigen eine magnetische Vorzugsorientierung mit der magnetisch leichten Richtung parallel zur Substratnormalen. Mit steigender Depositionstemperatur verbessert sich die Ausprägung der magnetischen Vorzugsorientierung bis die vollständige Ausrichtung aller magnetischen Momente parallel zur Substratnormale erreicht ist. Die Topologie dieser Schichten weist einzeln stehende Nd2Fe14B-Körner auf, was durch ein nicht benetzendes Verhalten von Nd2Fe14B auf Tantal erklärt wird. An Schichten, die bei Depositionstemperaturen um 630 °C auf dem Tantalbuffer abgeschieden wurden, konnte das epitaktische Wachstum von Nd2Fe14B nachgewiesen werden. Auch diese Schichten zeigen die Mikrostruktur der isoliert voneinander stehenden Körner. Obwohl die Korngröße dieser Körner etwa 2 µm beträgt, zeigen diese Schichten ein Koerzitivfeld von bis zu 2 T. Diese hohen Werte des Koerzitivfeldes werden durch die Vermeidung des Einbaus von Defekten in den Körnern erreicht. Zusammenfassend können diese Schichten als mikrometergroße und parallel zueinander angeordnete Einkristalle beschrieben werden. Aus diesem Grund konnten mit diesen Schichten Einkristallmessungen wie die Temperaturabhängigkeit der Sättigungspolarisation und des Spinreorientierungswinkels reproduziert werden. Aufgrund des epitaktischen Wachstums von Nd2Fe14B auf Tantal(110) konnte auch auf amorphen Substraten hochremanente und hochkoerzitive Schichten abgeschieden werden. Dafür wird ausgenutzt, dass der Tantalbuffer auch auf einem amorphen Substrat aufgrund der Wachstumauslese texturiert aufwächst und auf den einzelnen Körnern des texturierten Tantalbuffers die Nd2Fe14B-Körner lokal epitaktisch nukleieren können. Die Nd2Fe14B-Körner dieser Schichten sind nicht isoliert voneinander, sondern zeigen eine zusammenhängende Topologie. Diese Schichten besitzen ein Koerzitivfeld von etwa 1,3 T. Da Nd2Fe14B eine leicht oxidierende Phase ist, müssen die Nd-Fe-B-Schichten vor Korrosion geschützt werden. So wurde gezeigt, dass das Koerzitivfeld bei an Luft gelagerten Schichten innerhalb von einer Woche auf die Hälfte des ursprünglichen Wertes abfällt. Dieser Abfall konnte durch Defekte bzw. weichmagnetische Phasen als Ergebnis der Oxidation an den Oberflächen der Nd2Fe14B-Körnern erklärt werden. Die Verhinderung der Oxidation und damit der Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften konnte sehr effektiv, d.h. ohne eine messbare Veränderung der magnetischen Eigenschaften über einen Zeitraum von 6 Monaten; durch die Abscheidung einer Chromdeckschicht erreicht werden.

We report the fabrication of Ni2.7Mn0.9Ga0.4/InGaAs bilayers on GaAs (001)/InGaAs substrates by molecular beam epitaxy. To form freestanding microtubes the bilayers have been released from the substrate by strain engineering. Microtubes with up to three windings have been successfully realized by tailoring the size and strain of the bilayer. The structure and magnetic properties of both, the initial films and the rolled-up microtubes, are investigated by electron microscopy, X-ray techniques and magnetization measurements. A tetragonal lattice with c/a = 2.03 (film) and c/a = 2.01 (tube) is identified for the Ni2.7Mn0.9Ga0.4 alloy. Furthermore, a significant influence of the cylindrical geometry and strain relaxation induced by roll-up on the magnetic properties of the tube is found. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

The Pulsed Laser Deposition is an established method for the preparation of thin films and nm layer systems. In this work a cross beam PLD system is used as a special development for reduction of macro particle contamination in the growing layer. Two plasma plumes which overlap under a defined angle are produced on separated targets by two synchronized lasers. In the overlapping zone the direction of plasma expansion is changed by interaction of plasma particles. A diaphragm is used to guaranty that only the part of the plasma is deposited on the substrate that has changed the direction of expansion in the interaction zone. Detailed characterizations of plasma properties, deposition and growth conditions were carried out to demonstrate that cross beam PLD is an effective method to reduce macro particle contamination and allows layer growth under reduced energetic loading of the substrate. In the second part of this work cross beam PLD is used to produce Ni/C multilayers and artificial mixtures. The interest is focused on the mechanisms of layer disintegration and structure formation under thermal loading. Possible processes for layer disintegration are discussed on a theoretical background and verified in TEM examinations. / Die Pulsed Laser Deposition ist ein etabliertes Verfahren zur Herstellung dünner Schichten im nm-Bereich. Das in dieser Arbeit verwandte PLD-Zweistrahlverfahren ist eine besondere Entwicklung zur Verringerung der Makropartikelkontamination der Schichten. Zwei synchronisierte Laser erzeugen auf zwei benachbarten Targets zwei Plasmafackeln, die unter einem bestimmten Winkel überlappen, was zu einer Änderung der Ausbreitungsrichtung des Palmas führt. Ein spezielle Blendenanordnung garantiert, dass nur der abgelenkte Teil des Plasmas auf dem Substrat abgeschieden wird, welches für die anfänglichen Plasmafackeln im Schatten liegt. Anhand einer umfangreichen Charakterisierung der Plasma-, Abscheide- und Schichtwachstumseigenschaften wird gezeigt, dass das PLD-Zweistrahlverfahren eine effektive Verminderung der Makropartikelkontamination der Schichten ermöglicht und dass das Schichtwachstum unter deutlich verringertem Energieeintrag im Vergleich zur konventionellen PLD erfolgt. Das Verfahren wird im zweiten Teil der Arbeit angewandt um Ni/C-Multischichten und künstliche Mischungen herzustellen. Das Interesse liegt hierbei auf den Mechanismen des Schichtzerfalls und auf den entstehenden Strukturen bei thermischer Behandlung metastabiler Schichtsysteme. Anhand theoretischer Betrachtungen werden die möglichen Prozess des Schichtzerfalls eingegrenzt und mittels TEM-Untersuchungen verifiziert.

Die vorliegende Dissertation "Struktur und Magnetotransport laserdeponierter Lanthanmanganat Dünnschichtsysteme" beschäftigt sich mit der Herstellung, den strukturellen Eigenschaften und dem Magnetotransport von ferromagnetisch-metallischen Lanthanmanganat-Schichten La0.7A0.3MnO3 (A=Sr, Ca) und Schichtsystemen. Die untersuchten Schichten und Schichtsysteme wurden mittels Laserablation in "off-axis" Geometrie auf einkristallinen oxidischen Substraten abgeschieden. An einer Serie von polykristallinen La0.7Sr0.3MnO3/Y:ZrO2(100) Schichten wurde der Korngrenzen-Magnetowiderstandseffekt ferromagnetisch-metallischer Manganate untersucht. Durch Variation der Substrattemperatur während der Abscheidung läßt sich die Textur graduell einstellen. Untersuchungen des quantitativen Verhaltens des Magnetowiderstandes zeigen eine klare Korrelation des Niederfeld-Magnetowiderstandes und des Hochfeld-Magnetowiderstandes. Durch Untersuchungen an einer nichttexturierten Schicht in hohen gepulsten Magnetfeldern konnte auf einen indirekten Tunnelprozeß der Elektronen durch die Korngrenze entsprechend einem Modell von Lee et al. geschlossen werden, wobei die magnetische Ordnung der Korngrenze antiferromagnetisch ist. An den epitaktischen Schichtserien La0.7Ca0.3MnO3/NdGaO3(110) und La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3(100) und an heteroepitaktischen Multilagen (La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3)n/SrTiO3(100) wurden die strukturellen, magnetischen und elektrische Eigenschaften in Abhängigkeit von der Schichtdicke und der Einfluß der Grenzflächeneigenschaften untersucht. Allgemein zeigte sich, daß die mechanische Verspannung und Mikrostruktur der Schichten einen großen Einfluß auf deren physikalischen Eigenschaften haben. Die beobachtete Reduzierung der Curie-Temperatur, der Metall-Isolator-Übergangstemperatur und der spontanen Magnetisierung kann auf den finite-size Effekt und auf die Ausbildung von Perkolationspfaden (metallische Cluster in nichtmetallischer Matrix) in den ultradünnen Schichen zurückgeführt werden.

CuI is a p-type transparent conductive semiconductor with unique optoelectronic properties, including wide band gap (3.1 eV), high hole mobility (>40 cm2 V−1 s−1 in bulk), and large room-temperature exciton binding energy (62 meV). The difficulty in epitaxy of CuI is the main obstacle for its application in advanced solid-state electronic devices. Herein, room-temperature heteroepitaxial growth of CuI on various substrates with well-defined in-plane epitaxial relations is realized by reactive sputtering technique. In such heteroepitaxial growth the formation of rotation domains is observed and hereby systematically investigated in accordance with existing theoretical study of domain-epitaxy. The controllable epitaxy of CuI thin films allows for the combination of p-type CuI with suitable n-type semiconductors with the purpose to fabricate epitaxial thin film heterojunctions. Such heterostructures have superior properties to structures without or with weakly ordered in-plane orientation. The obtained epitaxial thin film heterojunction of p-CuI(111)/n-ZnO(00.1) exhibits a high rectification up to 2 × 109 (±2 V), a 100-fold improvement compared to diodes with disordered interfaces. Also a low saturation current density down to 5 × 10−9 Acm−2 is formed. These results prove the great potential of epitaxial CuI as a promising p-type optoelectronic material.

Optisch transparente und elektrisch leitfähige Funktionsschichten auf der Basis dotierter Metalloxid-Halbleiter spielen eine bedeutende Rolle als wärmestrahlungsreflektierende Schichten in der modernen Architektur. Über die im Material vorhandenen freien Ladungsträger wird eine kollektive Anregung im infraroten Spektralbereich ermöglicht, die zu einem Anstieg der Reflektivität der Metalloxidschicht führt. Dies geht einher mit einer Reduktion der Wärmeabstrahlung der Funktionsschicht. Die Motivation der vorliegenden Dissertation lag in der Herstellung, sowie in einer umfassenden Analyse der infrarot-optischen, elektrischen und strukturellen Charakteristika von nasschemisch abgeschiedenen Funktionsschichten auf Basis von Zinn-dotiertem Indiumoxid und Aluminium-dotiertem Zinkoxid. Die Prämisse war hierbei, dass die Funktionsschichten einen möglichst hohen Reflexionsgrad, respektive einen geringen thermischen Emissionsgrad im infraroten Spektralbereich aufweisen. Im Rahmen der Arbeit wurden deshalb vorrangig die Einflüsse der Sol-Parameter und der Art der Probenpräparation auf die infrarot-optischen Schichteigenschaften hin untersucht. Hierbei hat sich gezeigt, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt, die Eigenschaften der Funktionsschichten im infraroten Spektralbereich zu beeinflussen. Dies kann einerseits bereits bei der Herstellung der Beschichtungslösungen über eine Variation von Parametern wie dem Grad der Dotierung bzw. der Konzentration des Sols erfolgen. Andererseits lassen sich gewünschte infrarot-optische Schichteigenschaften direkt über eine Anpassung der Kristallisationstemperaturen unter Zuhilfenahme geeigneter oxidierender und reduzierender Prozessgase einstellen. Im Verlauf der Optimierung der Probenpräparation konnte zudem gezeigt werden, dass eine Variation der Anzahl der Funktionsschichten und die damit verbundene Veränderung der Schichtdicke maßgebliche Einflüsse auf die infrarot-optischen Eigenschaften hat. Die umfassende optische Charakterisierung der optimierten Proben vom UV über den sichtbaren Spektralbereich bis hin zum IR ergab, dass der Gesamtemissionsgrad eines Glassubstrats durch die Aufbringung eines Mehrschichtsystems deutlich gesenkt werden kann, wobei sich die visuelle Transparenz nur geringfügig ändert. Im Falle des verwendeten Indium-Zinn-Oxids genügt eine vierfache Beschichtung mit einer Dicke von rund 450 nm, um den Emissionsgrad von unbeschichtetem Glas (0.89) auf unter 0.20 zu senken, wobei die visuelle Transparenz mit 0.85 nur um rund 6 % abnimmt. Bei Aluminium-Zink-Oxid ergibt sich ein Optimum mit einer rund 1 µm dicken Beschichtung, bestehend aus 11 Einzelschichten, die den Emissionsgrad der Oberfläche auf unter 0.40 senkt. Die optische Transparenz liegt hierbei mit 0.88 nur geringfügig unter dem unbeschichteten Glas mit einem Wert von 0.91. Neben der ausführlichen Charakterisierung der Einflüsse auf die IR-optischen Schichteigenschaften lag der Fokus der Arbeit auf der Analyse der strukturellen und elektrischen Eigenschaften der optimierten Proben. Mittels REM- und AFM-Aufnahmen konnten Einblicke in die Schichtstruktur und Oberflächenbeschaffenheit der erzeugten Funktionsschichten gewonnen werden. Es hat sich gezeigt, dass bedingt durch dicht beieinanderliegende Kristallite eine geringe Porosität innerhalb der Funktionsschicht entsteht, wodurch eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit gewährleistet ist. Dabei resultiert eine homogene Oberflächenstruktur mit einer geringen Oberflächenrauheit. Die Homogenität der Funktionsschichten, speziell im Hinblick auf eine gleichmäßige Verteilung der maßgeblichen Atome, wurde mit Hilfe von SNMS- Messungen und einem EDX-Element-Mapping verifiziert. Mit Hilfe der Analyse des spezifischen Widerstands der optimierten Funktionsschichten konnte ein Zusammenhang zwischen den infrarot-optischen und elektrischen Schichteigenschaften über die Hagen-Rubens Relation erarbeitet werden. Darüber hinaus wurden an den besten, infrarot-optisch optimierten Proben charakteristische Parameter wie die Bandlückenenergie, die Ladungsträgerdichte und die Ladungsträgerbeweglichkeit ermittelt. Über die Ladungsträgerdichte war es zudem möglich, die spektrale Lage der Plasmawellenlänge zu bestimmen. Basierend auf den ermittelten Werten der optimierten Metalloxidschichten im Bereich der elektronischen Charakterisierung konnte eine Korrelation der infrarot-optischen und elektrischen Schichteigenschaften anhand charakteristischer Punkte im Spektrum der Funktionsschichten erarbeitet werden. Abschließend wurde der Verlauf des spektralen Reflexionsgrads theoretisch modelliert und über eine Parametervariation an den tatsächlich gemessenen Reflexionsgrad der infrarot-optisch optimierten Proben angefittet. Hierbei zeigte sich eine gute Übereinstimmung der in den physikalischen Grundlagen der vorliegenden Arbeit getroffenen Annahmen mit den experimentell ermittelten Werten. / Optically-transparent and electrically-conductive functional coatings based on doped metal oxide semiconductors play a significant role as thermally-reflective coatings. Their collective excitation in the infrared spectral range is enabled via the free charge carriers in the material, which leads to an increase in the metal oxide coating's reflectance. This is concurrent with a reduction in the thermal emittance of the functional coating. Various TCO deposition processes have been established for the majority of applications; the sol-gel process, however, is particularly significant since it is cost-efficient and flexible. The objective of this thesis was to thoroughly analyze the infrared optical, electrical and structural characteristics of functional coatings based on indium tin oxide and aluminium-doped zinc oxide produced by way of wet deposition. The intention was to create functional coatings with the highest possible reflectance, or rather lowest thermal emittance in the infrared spectral range. In this vein, an important aspect of this thesis was to investigate not only the influence of the sol parameters, but also of sample preparation on the infrared optical coating properties. It became evident that there are various ways of influencing the properties of the functional coatings in the infrared spectral range. Firstly, this can be achieved by varying parameters when the coating solutions are produced, such as the degree of doping or the concentration of the sol. Secondly, specific infrared optical coating properties can be directly modified by adjusting the crystallization temperatures with the aid of suitable oxidizing and reducing gases. During the course of optimizing sample preparation it also became apparent that variation in the number of functional coatings and therefore in the thickness of the metal oxide used has a decisive influence on the infrared optical properties. The individual steps involved in the production process were improved throughout the course of numerous parametric studies with respect to achieving the highest possible reflectance in the infrared range. Comprehensive optical characterization of the optimized samples in the spectral range from ultraviolet over the visible and up to the thermal infrared showed that the total emittance of a glass substrate can be clearly reduced by applying a multilayer coating, while the visual transparency is only slightly altered. In the case of the indium tin oxide used, a four-layer coating with a thickness of approximately 450 nm was sufficient to reduce the emittance of the uncoated glass (0.89) to 0.20, while the visual transmittance of 0.85 only deteriorated by about 6 %. In the case of the aluminium-doped zinc oxide used, an optimum was achieved with an approximately 1 µm thick coating comprising 11 individual layers which reduced the surface emittance to less than 0.40. The optical transmittance of 0.88 in this case is only slightly less than the uncoated glass with a value of 0.91. Besides extensively characterizing the influences on IR optical coating properties, this work focused on analyzing the structural and electrical properties of the optimized samples. Insights into the structure and surface composition of the functional coatings produced were gained by way of SEM and AFM. It became evident that densely packed crystallites cause low porosity within the functional coating, which ensures relatively high electrical conductivity. A homogeneous surface structure with low surface roughness results from the relatively small crystallite size (compared to the coating thickness measured) of both metal oxide systems. The homogeneity of the functional coatings, especially with respect to the uniform distribution of the decisive atoms, was verified with the aid of SNMS measurements and EDX elemental mapping. Correlation between the infrared optical and electrical coating properties was successfully shown by analyzing the specific resistance of the optimized functional coatings and then implementing the Hagen-Rubens relation. Moreover, characteristic parameters such as band gap energy, charge carrier density and charge carrier mobility were determined for the best infrared-optically-optimized samples. It was also possible to ascertain the spectral position of the plasma wavelength via the charge carrier density. On the basis of values determined for the optimized metal oxide coatings within the realm of electronic characterization, further correlation between the infrared optical and electrical coating properties became evident due to characteristic points in the spectrum of the functional coatings. To conclude, the curve of spectral reflectance was theoretically modelled and fitted to the measured reflectance of the infrared-optically-optimized samples by way of parameter variation. Good agreement was shown between the hypotheses made within this thesis and the values determined in the experiments.

Ziel dieser Arbeit ist die phänomenologische Untersuchung der Feuchteempfindlichkeit der elektrischen Eigenschaften dünner Polymerschichten. Diese Untersuchungen stellen gleichzeitig Vorarbeiten zur Entwicklung von Prototypen von zwei polymeren Dünnschicht-Feuchtesensoren dar, die sich durch die spezielle Auswahl der feuchtesensitiven Materialien jeweils durch eine besondere Eigenschaft gegenüber kommerziellen Massenprodukten auszeichnen. Ziel der Entwicklungsarbeiten für den ersten Prototypen war die Konstruktion eines schnellen Feuchtesensors, der plötzliche und sprunghafte Feuchteänderungen in der umgebenden Atmosphäre möglichst rasch detektieren kann. Dafür wurden dünne Schichten von Poly-DADMAC auf Interdigitalstrukturen aufgebracht, die einen möglichst direkten Kontakt zwischen feuchtesensitiver Schicht und umgebender, feuchter Atmosphäre gewährleisten. Als Messgrößen dienten die Wechselstromgrößen Widerstand und Kapazität der Schichten. Die Feuchtekennlinien der Schichten zeigen gute Konstanz und hohe Reproduzierbarkeit. Der Widerstand der Schichten ändert sich durch den Einfluss von Feuchte je nach Schichtdicke um 3 bis 5 Größenordnungen und eignet sich als Messgröße für die Feuchtigkeit im gesamten Feuchtebereich. Die Hysterese der Filme konnte auf kleiner als 2,5% r.F. bestimmt werden, die Reproduzierbarkeit auf besser als 1% r.F. Die Ansprechzeit der Schichten lässt sich schichtdickenabhängig zu 1 bis 10 Sekunden bestimmen. Hierbei zeigen besonders die dünnen Schichten kurze Ansprechzeiten. Zielstellung für den zweiten Feuchtesensor war die Entwicklung eines Prototypen, dessen sensitive Schicht sich biostatisch und biozid verhält, so dass er in biotischen Umgebungen eingesetzt werden kann. Es wurden fünf Polysulfobetaine synthetisiert, deren Biozidität und Biostatik mit dem Kontakttest nach Rönnpagel, dem ISO846-Test und Abbautests bestimmt wurde. Zwei Polymere – Poly-DMMAAPS (BT2) und Poly-[MSA-Styren-Sulfobetain] (BT5) – erwiesen sich als ausreichend biozid und biostatisch. Schichten dieser Polymere wurden auf Interdigitalstrukturen aufgezogen, anschließend wurden die Kennlinien dieser Proben aufgenommen. Die Messwerte zeigen für beide Polymere gute Konstanz und eine hohe Reproduzierbarkeit. BT2-Proben sind zwischen 20% und 80% r.F. besonders empfindlich und zeigen über einen Monat keine Langzeitdrift. Vernetzte Proben zeigen bis 50°C keinen temperaturbedingten Abfall der Feuchteempfindlichkeit. Der Einsatz vernetzter BT5-Schichten als kapazitiver Feuchtesensor ist bis etwa 70°C möglich, die Schichten sind selbst nach Lagerung im Hochvakuum und mehrfacher Betauung stabil. Damit liegen zwei funktionsfähige Prototypen von Feuchtesensoren vor, für die die meisten Kennwerte denen von vergleichbaren kommerziellen Feuchtesensoren entsprechen. Gleichzeitig zeichnen sie sich aber durch eine sehr niedrige Ansprechzeit bzw. eine ausreichende Lebensdauer unter biotischen Bedingungen aus. / The topic of this work is the phenomenological investigation of the humidity sensitivity of the electrical properties of thin polymer films. These investigations also act as preparatory work for the development of prototypes of two polymer thin film humidity sensors, which by the choice of the humidity sensitive materials stand out by one special property each compared with commercial mass products. The aim of the development work for the first prototype was the construction of a fast humidity sensor, which can rapidly detect sudden and erratic humidity changes in the surrounding atmosphere. Thin films of poly-DADMAC were prepared on interdigitated structures that allow for undisturbed contact between the sensitive layer and the surrounding humid atmosphere. Measured variables were the ac resistance and capacity of the films. The humidity characteristics of the films show good stability and high reproducibility. Under the influence of humidity the resistance of the films changes by 3 to 5 orders of magnitude, depending on the film thickness, and is suitable to measure the humidity in the entire humidity range. The hysteresis of the films is lower than 2.5% r.h., the reproducibility better than 1% r.h. The response time of the layers can be determined to 1 to 10 seconds, depending on their thickness. The thin films, specifically, show very short response times. The aim for the second humidity sensor was the development of a prototype, where the sensitive film is biostatic and biocide, so that it can be used to measure the humidity in biotic environments. Five polysulfobetaines were synthesized and their biocidity and biostatics were tested with the contact test according to Rönnpagel, the ISO846 test and degradation tests. Two of the polymers - poly-DMMAAPS (BT2) and poly-[MSA-styrene-sulfobetaine] (BT5) - showed sufficient biocidity and biostatics. Films of these polymers were prepared on interdigitated structures, then their humidity characteristics were recorded. The measured values show good stability and high reproducibility for both polymers. Samples of BT2 are highly sensitive between 20% and 80% r.h. and show no long-term drift after one month. Cross-linked samples show no decrease of the humidity sensitivity in temperatures up to 50 degrees Celsius. Cross-linked films of BT5 can be used as a capacitive humidity sensor up to 70 degrees Celsius, and the samples are stable even after storage in high vacuum and multiple dew cycles. These two functional prototypes of humidity sensors show characteristic data comparable to those of commercial sensors. However, they stand out, respectively, with a very short response time and a sufficient life time in biotic environments.

Den Kern der Untersuchungen bildete die Messung der mechanischen Spannungen in dünnen Kupferschichten während thermischer Zyklen und nach Belastung durch Vierpunktbiegung. Parallel dazu wurden Charakterisierungen der Korngröße, der Textur und korninnerer Defekte, inbesondere von Versetzungen durchgeführt. Bei den Spannungsmessungen fielen folgende Besonderheiten auf: (i) höhere Festigkeiten mit abnehmender Schichtdicke, (ii) hohe Verfestigungsraten bei der Abkühlung, (iii) Asymmetrie der Fließspannungen in Zug- und Druckrichtung und (iv) hohe Spannungen bei hohen Temperaturen. Da die klassischen Plastizitätsmodelle diese Besonderheiten zu erklären vermögen, wurden zwei neue Modelle entwickelt. Das erste beschreibt eine effektive Verfestigung auf der Basis elastischer Wechselwirkungen zwischen mobilen Versetzungen und sich an der Schicht/Substrat-Grenzfläche ansammelnder Versetzungen. Das zweite Modell bezieht sich auf das Korngrenzendiffusionskriechen und erklärt dessen Behinderung durch die unvollständige laterale elastische Relaxation auf einem Substrat haftender Körner. Das gesamte thermomechanische Verhalten kann nur aus dem Zusammenwirken verschiedener strukturbildender und Plastizitäts-Mechanismen beschrieben werden.

Zur Vertiefung des Verständnisses der Wälzfestigkeit von Gradientenschichten wurden gasnitrierte Proben an Wälzprüfständen beansprucht und nachfolgend umfassend untersucht. Durch die Verbindung werkstoffwissenschaftlicher und mechanischer Betrachtungen wurde ein weiterführendes Wälzfestigkeitskriterium abgeleitet. Nachfolgend wurde die Abbildbarkeit der Wälzbeanspruchung mit Hilfe der FEM analysiert. Dafür wurden umfangreiche Materialdaten der Gradientenschicht ermittelt.