Wasser verhält sich aus physikalischer Sicht beim Kristallisationsprozess im Vergleich zu anderen molekularen Systemen anomal. So ist aus den Erfahrungen des täglichen Lebens bekannt, dass Wasser sich beim Gefrieren ausdehnt, sodass das entstehende Eis aufgrund seiner angenommenen Festkörperstruktur eine geringere Dichte aufweist und auf der festen Phase aufschwimmt. Das wachsende Volumen des Festkörpers sowie die Ausbildung scharfer Eiskristallnadeln führen immer dann zu Komplikationen, wenn der Expansionsprozess durch feste Begrenzungen limitiert ist. Dies ist z. B. in zellulären Strukturen sowie deren Untereinheiten der Fall. Aus diesem Grund sind für die Untersuchung kryogener biologischer Proben sowohl die Gefriertechnik als auch die angewendete Präparationstechnik von essentieller Bedeutung. Diese stellen bereits seit den 1950er Jahren im Bereich der Kryo-Elektronenmikroskopie eine vielgenutzte Methode dar. Um diese Techniken auch für die, nur im Ultrahochvakuum verwendete, Nicht-Kontakt-Rasterkraftmikroskopie nutzbar machen zu können, muss zunächst eine experimentelle Grundlage geschaffen werden, welche die Implementierung verschiedener Präparationstechniken kryogener Proben in ein Ultrahochvakuum-System erlaubt. Die Arbeit beschreibt neben den gebräuchlichsten Gefrier- und Kryo-Präparationstechniken den detaillierten Aufbau einer entsprechenden Anlage. Um deren Funktionalität zu zeigen, wird die Gefrierätztechnik eingesetzt. Primäre, einfache Untersuchungsobjekte hierfür bilden Eisfilme, die auf ein Goldsubsubstrat aufgebracht werden. Für das Freiätzen von unter der Eisschicht befindlichen biologischen Strukturen ist es von zentraler Bedeutung, die Ätzparameter soweit abschätzen zu können, dass die Struktur für das rasterkraftmikroskopische Messverfahren zugänglich ist. Hierzu vermittelt die Arbeit ebenfalls erste Einblicke. Als einfaches biologisches System für grundlegende Experimente dienen auf diesem Gebiet bakterielle Hüllproteine (S-Schichten), deren Proteinmonomere auf Substratoberflächen außerhalb ihrer zellulären Umgebung durch Selbstorganisation gitterartige Strukturen ausbilden.

Germanium-on-Insulator (GeOI) substrates combine the potential of the Silicon-on-Insulator (SOI) technology with the superior properties of Ge over Si in terms of a) charge carrier mobilities (relevant for CMOS), b) optical bandgap and absorption coefficient (of impact for infra-red photodetectors and high-bandwidth optical interconnects), and c) lattice and thermal match with GaAs (of interest for integration of III-V based optoelectronics and photovoltaics on the mainstream Si platform). Several techniques are under study for the achievement of GeOI structures, such as layer transfer, Ge condensation, and Ge epitaxial overgrowth of Si via crystalline oxide templates. Following the GeOI heteroepitaxial approach, Ge was deposited by molecular beam epitaxy (MBE) on PrO2(111) / Si(111) support systems, and the initial growth stages were studied by means of in-situ reflection high energy electron diffraction (RHEED), and x-ray and ultra-violet photoelectron spectroscopy (XPS and UPS, respectively). It was shown that in the first evaporation stages an amorphous GeO2-like layer forms as a result of the Ge adatom interaction with the PrO2 substrate, namely the diffusion of lattice oxygen from the dielectric into the growing semiconductor deposit. In consequence the PrO2(111) buffer oxide is fully reduced to an oxygen-deficient cub (cubic) Pr2O3(111) film structure. Since no oxidizing species are available in the process anymore, the Ge oxide layer converts under continuous Ge evaporation to GeO, which is volatile at the deposition temperature (~550°C). The sublimation of GeO uncovers the cub-Pr2O3(111) surface, which finally provides a thermodynamically stable template for the heteroepitaxial growth of elemental Ge. A Volmer-Weber growth mode is initially observed, which, by properly tuning the deposition parameters, results after island coalescence in the formation of a closed and flat Ge / cub-Pr2O3 / Si heterostructure. Ge epilayer thickness (in the range 20-1000 nm) and morphology were studied ex-situ by means of x-ray reflectivity (XRR) and secondary electron microscopy (SEM). Dynamic secondary ion mass spectroscopy (D-SIMS) was employed to study the chemical compositions of the Ge films, which turned out to be free from Si and Pr impurities at the sensitivity of some parts-per-billion (ppbs), even after supplying a high thermal budget. This is an important achievement, because in most applications (i.e., optoelectronics), there is the demand for ultra-pure Ge epilayers. Then, laboratory- and synchrotron-based x-ray diffraction (XRD) analyses were performed to assess the epitaxial relationship and the defect structure of the Ge epifilms. It was demonstrated that the Ge layers grow single crystalline with (111) orientation and an exclusive type-A stacking configuration on the type-B cub-Pr2O3(111) / Si(111) support system. Furthermore, the Ge epifilms are fully relaxed in the thickness range 20-1000 nm. Finally, XRD techniques combined with transmission electron microscopy (TEM) permitted the identification and the quantification of three main types of defects at work during the growth of the Ge epi-layers, namely rotation twins, stacking faults and microtwins across {11-1} net-planes. These structural flaws were studied as a function of Ge film thickness and after annealing at 825°C for 30 min in ultrahigh vacuum. It turned out that rotation twins constitute less than 1% of the Ge matrix, are located at the Ge(111) / cub-Pr2O3(111) interface and their amount can be lowered by the thermal treatment. Microtwins across {11-1} were detected only in closed Ge films, after Ge island coalescence. The fraction of Ge film volume affected by microtwinning is constant within the thickness range 20–260 nm. Beyond 260 nm, the density of microtwins is clearly reduced, resulting in thick layers with a top part of higher crystalline quality. Microtwins were found to be insensitive to the post-deposition annealing (PDA). Instead, the density of stacking faults across {11-1} planes decreased after the thermal treatment. In conclusion, the defect density was proved to diminish with increasing Ge thickness and after annealing. A defect density of 10^8-10^9 per cm^2 was estimated in case of a ~ 1000 nm-thick Ge film after PDA.

In this thesis the influence of deposition conditions and post-deposition annealing on the structure of ultrathin iron oxide films grown on magnesium oxide (MgO) substrates is studied. The main experimental technique used is synchrotron based x-ray diffraction (XRD) but also x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and low energy electron diffractions (LEED) are used to characterize the samples. Studying the dependency of film structure and thickness the stoichiometry and structure is changing with increasing film thickness. For large film thickness bulk like magnetite (Fe3O4) can be observed. With decreasing thickness the oxide phase is shifting towards a wüstite (FeO) phase. When changing the deposition rate and substrate temperature a strong influence on the Fe3O4 film structure is observed. With both decreasing deposition rates and substrate temperatures the occupancy of the tetrahedral sites is strongly decreasing while the octahedral sites remain almost unaffected. By post-deposition annealing under low oxygen atmosphere it is possible to increase the ordering of the tetrahedral sites. However, this is accompanied by significant diffusion of magnesium into the iron oxide film. During post-deposition annealing of a gamma-Fe2O3 film under high vacuum a reduction of the iron oxide is observed. Increasing the temperature, first, a reduction from gamma-Fe2O3 to Fe3O4 is observed. After further increasing the temperature a reduction from Fe3O4 to FeO is observed.

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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.

Neue nanoporöse Materialien mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten werden in der Mikroelektronik dringend benötigt. Eine Methode, die Dielektrizitätskonstante eines gegebenen Materials weiter zu reduzieren, ist die Einführung von geschlossenen und luftgefüllten Poren im Nanometerbereich. Die Porosität wird durch die Verwendung eines Zweikomponentensystems bestehend aus einer stabilen Matrix und einem labilen Porenbildner eingeführt; aus diesen wird ein Blend hergestellt, und durch anschließende Zersetzung des Porenbildners entsteht ein poröses Matrixpolymer mit stabilen Aushöhlungen. Im Vordergrund dieser Arbeit stand die Synthese und Charakterisierung hochverzweigter Polyphenylene über die Diels-Alder-Reaktion von phenylierten Cyclopentadienonen mit phenylierten Alkinen zur Verwendung als Matrixmaterialien in nanoporösen Isolatorsystemen. Dabei wurde sowohl von A2- und B3-Monomeren als auch von AB2- und AB-Monomeren ausgegangen. Die hochverzweigten Polyphenylene sind vielversprechende Materialien mit hervorragenden isolierenden und chemischen Eigenschaften wie hohen thermischen Stabilitäten und guten Löslichkeiten in organischen Lösungsmitteln, was eine wichtige Voraussetzung für die Verwendung der Polymere in der Mikroelektronik darstellt. Die verschiedenen Syntheseansätze erlauben dabei eine Kontrolle über die Endgruppen und die Verzweigung. Daneben wurden thermolabile hochverzweigte Polycarbonate und Polytriazenester als Porenbildner synthetisiert und mit Silylether-Endgruppen modifiziert, wobei mit der tert-Butyldiphenylsilyl-Gruppe die besten Ergebnisse bezüglich der Mischbarkeit mit der Polyphenylenmatrix erhalten wurden. Außerdem wurden Blends in Form von dünnen Schichten aus den hochverzweigten Polyphenylenen mit den Porenbildnern im Hinblick auf die potentielle Anwendung der Materialien als nanoporöse Isolatoren charakterisiert.

Electronic properties of solids are vitally important for modern technology, one may think of microelectronics, magnetic data storage, communication technologies and others. Sometimes, it seems possible to postpone the step of fundamental understanding when starting the application of a new material. However, lasting success and discovery of principally new approaches is based on it ...

The present thesis is concerned with solid solutions of organic dyes. The organic molecules are incorporated in both optically inert or active and in rigid or flexible matrices, respectively. Exclusively thin films prepared by physical vapor deposition are studied. The optical response of the systems, in dependence on their structure and on the matrix nature, is investigated by means of absorption and luminescence spectroscopy. In the first part, perylene and 2,2-difluoro-1,3,2-dioxaborine derivatives, and Alq3 (tris(8-hydroxyquinoline) aluminium) embedded in the optically inactive SiO2 and polyimide hosts are studied. For the system dye molecules/SiO2 matrix, two sample preparation approaches, co-deposition and layer-by-layer, are compared. It is demonstrated that the luminescence properties of the mixed layers are affected by dye distribution and thin film composition. The photoluminescence quantum efficiency is strongly influenced by dye aggregation and Föster transfer. Therefore, effective separation and isolation of dye molecules in the matrix results in increased PL efficiency. Furthermore, it is established that layer-by-layer growth mode assures more homogeneous dye distribution. The spectroscopic studies also show that, since dye and matrix condense successively in time, luminescence losses due to thermal degradation of molecules are reduced. Hence, the film structure can be optimized with regard to high absorption and luminescence quantum efficiency. The experimental findings suggest that the luminescent properties of the embedded dyes are influenced by the nature of the host environment as well. In the rigid SiO2 matrix, it is possible to observe isolated facial Alq3 molecules with distinctive blue luminescence. In contrast, in the "soft" organic polyimide matrix Alq3 exhibits ordinary green luminescence. Thus, the structural properties of the host, rigidity and density, are found to be crucial for preservation of the facial Alq3 molecules. It is further demonstrated that the immobilization of molecules in the rigid SiO2 matrix in combination with layer-by-layer growth results in improved photostability. In polyimide matrix, the behavior of incorporated molecules is governed by the morphological changes of the host. These changes are defined by the curing procedure, needed for imidization, and give rise to a certain film structure. In the second part, special attention is paid on the luminescence response of dispersed DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-(p-dimethylaminostyril)-4H-pyran) and rubrene (5,6,11,12-tetraphenyl-naphthacene) molecules in the optically active Alq3 matrix. The observed enhancement of luminescence intensity and alteration of emitted color are favorable for application of the doped Alq3 films as converter layers in combination with commercial blue light emitting diodes in luminescence conversion devices. It is demonstrated that by optimization of the conversion layer parameters white light generation can be achieved. The devices are characterized by high conversion efficiency and Lambertian distribution of the emitted light. However, they lack sufficient stability with regard to practical applications.

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.

Die elektrische Leitfähigkeit und der Hall-Effekt der halbleitenden Silicide Beta-FeSi2 und MnSi1,73 werden im Temperaturbereich zwischen 4,2 und 300 K untersucht. In ergänzenden Untersuchungen werden strukturelle und optische Eigenschaften dieser Materialien bestimmt. Die Ergebnisse der Messungen an MnSi1,73 - Schichten werden im Rahmen der Boltzmann-Gleichung in Relaxationszeitnäherung interpretiert. Die Temperatur- abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit und der Hall-Beweglichkeit der Mangansilicid-Schichten kann unter Einbeziehung der Ladungsträgerstreuung an Korngrenzen und akustischen Phononen erklärt werden. In einer kritischen Diskussion werden die Grenzen des verwendeten Transportmodells aufgezeigt. Den Schwerpunkt der Untersuchungen an Beta-FeSi2 bildet die Analyse des Hall-Koeffizienten in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Magnetfeld. Mit einem neuen dynamischen Meßverfahren werden umfassende Ergebnisse für den Hall-Koeffizienten in dünnen Schichten und Einkristallen erhalten, die eine herkömmliche Interpretation des Hall-Effekts in Beta-FeSi2 in Frage stellen. Unter Einbeziehung eines wesentlichen Einflusses des anomalen Hall-Effekts in die Interpretation, können die Eigenschaften des Hall-Effekts in Beta-FeSi2 verstanden werden.