Thesis (doctoral)--Rijksuniversiteit te Utrecht, 1987. / Vita: p. 179. eContent provider-neutral record in process. Description based on print version record. Includes bibliographies.

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Darmstadt.

Techn. Universiẗat, Diss., 2001--Berlin.

Universiẗat, Diss., 2000--Bonn.

Universiẗat, Diss., 2004--Bonn.

Die Anwendung von Hochintensitätslasern zur Beschleunigung von Teilchen bietet eine Alternative zu klassischen Teilchenbeschleunigern und den von diesen erzeugten Strahlenqualitäten. Nach großen Fortschritten auf dem Gebiet der Laser-Teilchenbeschleunigung wurde die Anwendung der neuen Technologie in der klinischen Ionentherapie vorgeschlagen und diskutiert. Bevor es dazu kommen kann, muss aber neben der Verbesserung der Strahleigenschaften, wie z. B. der Erhöhung der Energie, und der Stabilität der Teilchenbeschleunigung auch eine geeignete physikalische und dosimetrische Charakterisierung entwickelt und die biologische Wirksamkeit dieser neuartigen, ultrakurz gepulsten Strahlenqualität mit extrem hoher Pulsdosisleistung untersucht werden. Dies erfordert eine ganze Reihe von umfangreichen Experimenten der notwendigen Translationskette, angefangen von in vitro Zellbestrahlungen über in vivo Studien bis hin zu präklinischen Untersuchungen und ersten klinischen Studien. Hierzu wurden das Verbundprojekt onCOOPtics gegründet und in einem ersten Schritt in vitro Zellbestrahlungen zur Untersuchung der biologischen Wirksamkeit laserbeschleunigter Teilchen durchgeführt. Dazu wurden Dosis-Effekt-Kurven für humane Tumor- und Normalgewebs-Zelllinien jeweils für mehrere biologische Endpunkte bestimmt. Begonnen wurde dabei mit der umfangreichen Untersuchung laserbeschleunigter Elektronen am JeTi-Lasersystem in Jena, auf welche zum Zeitpunkt der Verfügbarkeit des DRACO-Lasersystems in Dresden die dosimetrische und strahlenbiologische Charakterisierung laserbeschleunigter Protonen an diesem Lasersystem folgte. Dabei stellte die Entwicklung einer präzisen Dosimetrie zur Bestimmung der applizierten Dosis aufgrund der Strahleigenschaften laserbeschleunigter Teilchen eine große Herausforderung dar. Sie ist aber sowohl im Hinblick auf eine spätere klinische Anwendung als auch für die Durchführung quantitativer strahlenbiologischer Experimente obligatorisch. Diese Arbeit, die im Rahmen des Verbundprojektes entstanden ist, leistet dazu in vielfacher Hinsicht einen wesentlichen Beitrag: Erstens wurden geeignete Detektoren zur präzisen dosimetrischen Charakterisierung laserbeschleunigter Elektronen und Protonen entwickelt, optimiert und charakterisiert sowie präzise kalibriert. So wurden umfangreiche Studien zu verschiedenen Eigenschaften der auch in der klinischen Dosimetrie angewandten radiochromischen Filme durchgeführt und die Filme entsprechend kalibriert. Dabei wurden neue Erkenntnisse u. a. über deren Energieabhängigkeit gewonnen, die für zahlreiche Anwendungen der Filme von Bedeutung sind. Weiterhin wurden verschiedene Ionisationskammern zur Echtzeit-Strahlmonitorierung von laserbeschleunigten Elektronen und Protonen ausgewählt und dosimetrisch charakterisiert. Zudem wurde der Einsatz von CR-39 Festkörperspurdetektoren zur spektroskopischen Untersuchung laserbeschleunigter Protonen etabliert, indem die Nachverarbeitung und Auslesung der Detektoren charakterisiert und optimiert wurden und außerdem eine retrospektive Filterprozedur der detektierten Krater entwickelt und angewendet wurde. Ferner wurde ein Faraday Cup, der auf die speziellen Eigenschaften derzeitiger laserbeschleunigter Protonen-Strahlenqualitäten abgestimmt ist, entwickelt, charakterisiert und mit drei voneinander unabhängigen Methoden kalibriert. Die radiochromischen Filme und der Faraday Cup konnten daraufhin als Referenzdosimeter sowohl an den konventionellen als auch an den neuartigen Laser-Teilchenbeschleunigern erfolgreich eingesetzt werden. Zweitens bildete die durchgeführte Echtzeit- und Referenzdosimetrie laserbeschleunigter Elektronen die Grundlage für die weltweit ersten systematischen Zellbestrahlungsexperimente dieser Strahlenqualität. Dabei konnten trotz großer Pulsdosisschwankungen alle Anforderungen bezüglich Dosishomogenität, Strahlstabilität, präziser Deposition einer vorgegebenen Dosis und Unsicherheit der bestimmten applizierten Dosis, die für eine quantitative Auswertung der radiobiologischen Daten notwendig sind, erfüllt werden. Exemplarisch sei die bestimmte Gesamt-Dosisunsicherheit von unter 10% genannt. Drittens wurden auch laserbeschleunigte Protonen so präzise dosimetrisch monitoriert und charakterisiert, dass auch mit dieser Strahlenqualität quantitative strahlenbiologische Untersuchungen durchgeführt werden konnten. Herausgefordert durch die kurze Reichweite der Protonen im Submillimeterbereich und das breite Energiespektrum dieser Strahlenqualität, gelang dies neben der Charakterisierung und Kalibrierung der einzelnen Detektoren durch die Konzeption und Realisierung eines integrierten Dosimetrie- und Zellbestrahlungssystems (IDOCIS).Weltweit erstmalig wurde eine Echtzeit-Strahlmonitorierung während der Zellbestrahlungen mit laserbeschleunigten Protonen durchgeführt, die sowohl zur kontrollierten Applikation einer vorgegebenen Dosis und zur Strahlüberwachung als auch zusammen mit der durchgeführten Referenzdosimetrie zur hochpräzisen Bestimmung der absolut in den Zellen deponierten Dosis diente. Außerdem trug die parallele und redundante Verwendung zweier voneinander unabhängiger Referenzdosimetrie-Systeme erheblich zur Erreichung einer hohen Zuverlässigkeit und Sicherheit bei. Die Unsicherheit in der bestimmten deponierten Dosis betrug entsprechend für den Endpunkt der residualen DNS-Doppelstrangbrüche 24h nach Bestrahlung, für den eine vollständige Dosis-Effekt-Kurve ermittelt wurde, nur ca. 10%. Die Unsicherheit liegt damit schon fast in dem Bereich, der an klinisch angewandten Beschleunigern zulässig ist (3-5%). Dagegen konnte zu Beginn dieser Arbeit die Dosis laserbeschleunigter Protonen nur mit einer Ungenauigkeit von mehr als 50% abgeschätzt werden. Viertens wurden die zur Bestimmung der relativen biologischen Wirksamkeit notwendigen Vergleichsbestrahlungen mit konventionellen Elektronen- und Protonenstrahlenquellen und die zur Vergleichbarkeit der konventionellen und laserbeschleunigten Strahlenqualitäten erforderlichen Referenzbestrahlungen mit 200kVp Röntgenröhren im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls dosimetrisch optimiert und genau charakterisiert. Die dosimetrischen Ergebnisse der vorliegenden Arbeit waren eine notwendige Voraussetzung für die im Rahmen anderer Arbeiten vollzogene strahlenbiologische Auswertung der durchgeführten Zellbestrahlungen. Dabei wurde insgesamt kein signifikanter Unterschied in der strahlenbiologischen Wirksamkeit zwischen laserbeschleunigten, ultrakurz gepulsten und konventionellen, kontinuierlichen Strahlenqualitäten weder für Elektronen noch für Protonen festgestellt. Durch die Konsistenz dieser Ergebnisse für beide Teilchenarten und unterschiedliche biologische Endpunkte ist damit die nächste Stufe auf dem translationalen Weg hin zur klinischen Anwendung laserbeschleunigter Teilchen begehbar: Die Durchführung von in vivo Untersuchungen. Dabei muss zwar von einer zweidimensionalen (Zell-Monolayer) auf eine dreidimensionale Zielvolumenbestrahlung (Tumor) übergegangen werden, wobei aber die im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelten Dosimetrieverfahren und Detektoren auch bei den Tierbestrahlungen angewendet und eingesetzt werden können. / The application of high-intensity lasers for particle acceleration provides an alternative to conventional particle accelerators and also alternative beam qualities. Soon after the recent progress in the field of laser particle acceleration, its application in clinical ion therapy was proposed and discussed widely. Besides the improvement of the beam properties (increasing of beam energy and stability of particle acceleration process, e. g.) a capable physical and dosimetric characterization has to be developed before the technology can be applied in cancer therapy. The same is true for investigation of the biological effectiveness of this new, ultra-short pulsed beam quality with extremely high pulse dose rate. Hence, the whole translational chain, beginning from in vitro cell irradiation over in vivo studies to the point of preclinical investigations and first clinical trials, is necessary. For this reason, in a first step the joint research project onCOOPtics was founded and in vitro cell irradiation experiments were performed to study the biological effectiveness of laser accelerated particles. Therefore, dose-effect-curves for tumor and normal tissue cell lines were determined for different biological endpoints. Starting with extensive experiments with laser accelerated electrons at the JeTi laser system in Jena, the investigations were continued with dosimetric and radiobiological characterization of laser accelerated protons at the DRACO laser system in Dresden shortly after the DRACO laser started its operation. In this process, the development of a precise dosimetry for determination of the applied dose posed a great challenge due to the beam properties of laser accelerated particles. However, this is a crucial and compulsive requirement for both, the future clinical application and also for the realization of quantitative radiobiological experiments. Compiled in the onCOOPtics framework, this paper contributed to this task in multiple key aspects: Firstly, capable detectors for precise dosimetric characterization of laser accelerated electrons and protons were developed, optimized and characterized as well as precisely calibrated. Thus, comprehensive investigations were performed studying different properties of radiochromic films which are also applied in clinical dosimetry. In addition, these films were precisely calibrated for different beam qualities. Thereby, new findings of the energy dependence of radiochromic films were obtained which are of importance for numerous applications of these films. Moreover, different ionization chambers for real-time beam monitoring of laser accelerated electrons and protons were selected and characterized. Furthermore, the application of CR-39 solid state track detectors was established for spectroscopic investigations of laser accelerated protons by characterizing and optimizing the postirradiation processing and the readout of the detectors. Also a retrospective filter procedure of the detected tracks was developed and applied. Moreover, a Faraday Cup adjusted to the special properties of current laser accelerated proton beam qualities was developed, characterized and precisely calibrated by means of three independent calibration methods. Finally, the radiochromic films and the Faraday Cup could be used as reference dosimeters both for conventional accelerators and also for novel laser particle accelerators. Secondly, the performed real-time and reference dosimetry of laser accelerated electrons was the prerequisite of the first systematic cell irradiation experiments with this beam quality worldwide. Despite high pulse dose fluctuations, all requirements were satisfied concerning dose homogeneity, beam stability, precise deposition of a prescribed dose and uncertainty of the applied dose, that are all necessary for a quantitative evaluation of the radiobiological data. Exemplary, a total dose uncertainty below 10% was reached. Thirdly, laser accelerated protons were precisely monitored and characterized allowing quantitative, well-founded radiobiological investigations with this beam quality. This task was very much challenged by the short range of the protons in the sub-millimeter range and the broad energy spectrum of the beam quality. It was succeeded not only due to the comprehensive characterization and precise calibration of the different detectors but also due to the conception and realization of an integrated dosimetry and cell irradiation system (IDOCIS). For the first time, a real-time beam monitoring during cell irradiation with laser accelerated protons was performed. This real-time monitoring was not only used for controlled application of the prescribed dose and beam monitoring and also – together with the performed reference dosimetry – for precise determination of the deposited dose at cell location. In addition, high reliability and safety was considerably ensured by using two independent reference dosimetry systems in parallel. Hence, the determined uncertainty of the deposited dose was only about 10% for the biological endpoint of the residual DNA double strand breaks 24h after irradiation. For this endpoint a complete dose-effect-curve was obtained. Therefore, the achieved uncertainty is almost as small as necessary at clinically applied accelerators (3

Die vorliegende Arbeit untersucht Struktur und Mn-Wertigkeit von La0,7Sr0,3MnO3 (LSMO)/SrTiO3 (STO)-Dünnschichten, die mit außeraxialer gepulster Laserdeposition auf STO(0 0 1)-Substrat abgeschieden wurden. Aufgrund der hohen Spinpolarisation der Ladungsträger und der hohen Curie-Temperatur von LSMO sowie der geringen Gitterfehlpassung zwischen LSMO und STO erscheinen solche Dünnschichtsysteme interessant für magnetoresistive elektronische Bauelemente wie LSMO/STO/LSMO-Tunnelkontakte. Da das mit steigender Temperatur rasch abnehmende Magnetwiderstandsverhältnis derartiger Tunnelkontakte vor allem auf die atomistische Struktur der LSMO/STO-Grenz?fläche und den damit gekoppelten Ladungszustand der Mn-Ionen zurückgeht, stellt diese Arbeit eine hoch ortsaufgelöste Charakterisierung von Kristallstruktur und Mn-Wertigkeit mit im TEM aufgezeichneten Abbildungen und Elektronen-Energieverlust-Ionisationskanten vor. Der hinsichtlich des Einfl?usses auf die Qualität der Messdaten durchgeführte Vergleich verschiedener TEM-Präparationsverfahren zeigt, dass die konventionell ionengedünnten Querschnitte geringere Verbiegungen aufweisen als die mit fokussiertem Ionenstrahl präparierten und daher besser für die hochau?flösende TEM geeignet sind. Zur Quantifizierung der Mn-Wertigkeit werden die O-K- und Mn-L2,3-Nahkantenfeinstrukturen herangezogen, die sich in charakteristischer Weise mit dem Sr-Gehalt x und damit der Mn-Valenz in La1-xSrxMnO3 ändern. Hierbei reagieren die Kantenenergieabstandsmaße am empfindlichsten auf die Mn-Wertigkeit und ermöglichen eine Valenzbestimmung mit einer Genauigkeit von bis zu ?0,08. Die für das Innere der untersuchten LSMO-Schichten ermittelte Mn-Wertigkeit stimmt mit dem nominalen Wert von 3,3 überein, wohingegen an manchen LSMO/STO-Grenz?flächen zwischen Substrat und Schicht sowie zwischen den Schichten von Multilagen eine Reduktion um 0,1...0,2 zu beobachten ist. Dies kann auf eine La0,7Sr0,3O/TiO2-terminierte Grenz?fläche zurückgeführt werden und deutet darauf hin, dass sich die abschließenden Atomlagen messbar auf die grenzfl?ächennahe Mn-Wertigkeit auswirken. Weiterhin äußert sich der Ein?fluss der Grenz?fläche in dem Auftreten einer Schulter an der Flanke geringeren Energieverlusts der Mn-L3-Kante. Hierfür werden mögliche Ursachen wie Gitterdeformationen und Sauerstoffleerstellen diskutiert. Die geometrische Phasenanalyse von HRTEM-Aufnahmen und TEM-Hellfeldaufnahmen belegen eine tetragonale Verzerrung des LSMO-Schichtkristalls, der aus nadelförmigen Zwillingsdomänen besteht. Aus hochaufgelösten Raster-TEM-Abbildungen mit den unter großem Winkel gestreuten Elektronen geht hervor, dass die LSMO/STO-Grenz?flächen eine kohärente, gelegentlich mit Elementarzellenstufen versehene Gitterstruktur aufweisen. Insbesondere vermitteln die Stufen (Einfach- und Mehrfachstufen) die wellige Struktur der LSMO/STO-Multilagen. Schließlich wird gezeigt, dass die mit konvergenter Beugung bestimmte Fehlorientierung zwischen LSMO-Schicht und STO-Substrat bei geringer durchstrahlter Dicke der TEM-Lamelle die erwartete Netzebenenneigung der Zwillinge übersteigt. Dafür wird eine nachträgliche Relaxation der LSMO-Schicht während der Ionendünnung verantwortlich gemacht.

Zahlreiche Geräte, die in den Naturwissenschaen, in der Industrie und im Gesundheitswesen unverzichtbar sind, basieren auf Strahlen schneller geladener Teilchen. Dazu zählen unter anderem Elektronen- und Ionenmikroskope, entsprechende Lithographiestrahlanlagen und Röntgenstrahlungsquellen. Magnetische Optiken, die Strahlen geladener Teilchen ablenken, formen und fokussieren, sind das Rückgrat aller Geräte die mit hochenergetischen Teilchen arbeiten, da sie im Vergleich zu Optiken, die auf elektrischen Feldern basieren, bei hohen Teilchengeschwindigkeiten eine überlegene optische Leistung aufweisen. Konventionelle makroskopische magnetische Optiken sind jedoch groß, teuer und platzraubend, nicht hochfrequenzfähig und erfordern aktive (Wasser-)Kühlung zur Wärmeabfuhr. Sie sind daher für Mehrstrahlinstrumente, miniaturisierte Anwendungen und schnelle Strahlmanipulation ungeeignet, die für zukünftige Fortschritte in der Nanofabrikation und -analyse gebraucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die ersten magnetischen selbst-assemblierenden Mikro-Origami-Elektronenoptiken entwickelt, hergestellt und charakterisiert. Mit dem verwendeten Miniaturisierungsansatz können, bei ähnlicher optischer Leistung, alle oben genannten Nachteile von konventionellen magnetischen Optiken überwunden werden. Die außergewöhnlichen Eigenschaften dieser optischen Elemente werden durch die einzigartigen Merkmale der Mikrospulen ermöglicht: geringe Größe, geringe Induktivität und geringer Widerstand. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unter anderem adaptive Phasenplaen hergestellt, die Elektronenvortexstrahlen mit einem bislang unerreichten Bahndrehimpuls von bis zu mehreren 1000 ̄h erzeugen. Des Weiteren wurden schnelle Elektronenstrahldeflektoren zur Strahlablenkung, zum zweidimensionalen Rastern und für stroboskopische Experimente gefertigt. Sie besitzen eine Ablenkleistung im mrad-Bereich für 300 kV Elektronen und einen Frequenzdurchgang bis zu 100 MHz. Darüber hinaus wurden miniaturisierte adrupollinsen mit Brennweiten kleiner als 46 mm für 300 kV Elektronen entwickelt. Diese drei Arten elektronenoptischer Elemente sind von großem Interesse für verschiedenste Anwendungen in der Nanofabrikation und -analyse, da sie unter anderem als integrale Bestandteile von zu entwickelnden Mehrstrahlinstrumenten, miniaturisierten Geräten und stroboskopischen Messaufbauten dienen können.:1 Introduction 1.1 Charged Particle Optics 1.2 Miniaturized Charged Particle Optics 1.3 Phase Plates for Transmission Electron Microscopy 2 Charged Particle Optics 2.1 Hamiltonian Formalism 2.2 Gaussian Matrix Optics 2.3 Transfer Matrices of Magnetic Elements 2.3.1 Single Quadrupole 2.3.2 Quadrupole Multiplets 2.3.2.1 Quadrupole Doublet 2.3.2.2 Quadrupole Triplet 2.3.2.3 Higher Order Quadrupole Multiplets 2.4 Scaling Laws for Charged Particle Optics 2.4.1 Thin Film 2.4.2 Electrostatic Scaling Laws 2.4.3 Magnetic Scaling Laws 3 Design and Fabrication of Miniaturized Electron Optics 3.1 Basics of Polymer-Based Self-Assembly Technology 3.2 Basic Coil Design and Magnetic Field Simulations 3.3 CoFeSiB-Pyrex Core-Shell Micro Wires 3.4 Fabrication of Self-Assembled Micro Coil Devices 4 Optical Properties of Self-Assembled Miniaturized Electron Optics 4.1 Electron Vortex Phase Plate 4.1.1 Projected Magnetic Fields 4.1.2 Vortex Beam Characteristics 4.2 Miniaturized Deflector 4.3 Quadrupole Focusing Optic 4.4 High Frequency Characteristics of Self-Assembled Electron Optics 5 Summary and Outlook 5.1 Applications of Electron Vortex Beams with Large OAM 5.2 Optics of Large Optical Power for Pulsed Instruments 5.3 Stroboscopic TEM Measurements 5.4 Miniaturized Wigglers, Undulators and Free Electron Lasers 5.5 Towards Integrated Electron Optical Systems / Beams of highly accelerated charged particles are essential for numerous indispensable devices used throughout natural sciences, industry and the healthcare sector, e.g., electron and ion microscopes, charged particle lithography machines and X-ray radiation sources. Magnetic charged particle optics that deflect, shape and focus high-energy charged particles are the backbone of all such devices, because of their superior optical power compared to electric field optics at large particle velocities. Conventional macroscopic magnetic optics, however, are large, costly and bulky, not high frequency capable and require active cooling for heat dissipation. They are therefore unsuitable for fast beam manipulation, multibeam instrumentation, and miniaturized applications, much desired for future advances in nanofabrication and analysis. The first on-chip micro-sized magnetic charged particle optics realized via a self-assembling micro-origami process were designed, fabricated and characterized within the frame of this work. The utilized micro-miniaturization approach overcomes all the aforementioned obstacles for conventional magnetic optics, while maintaining similar optical power. The exceptional properties of these optical elements are rendered possible by the unique features of strain-engineered micro-coils: small size, small inductance and small resistivity. Within the frame of this work, adaptive phase plates were fabricated, which generate electron vortex beams with an unprecedented orbital angular momentum of up to several 1000 ̄h. Furthermore, fast electron beam deflectors for beam blanking, two-dimensional scanning and stroboscopic experiments were manufactured. They possess a deflection power in the mrad regime for 300 kV electrons and a high frequency passband up to 100 MHz. Additionally, miniaturized strong quadrupole lenses with focal lengths down to 46 mm for 300 kV electrons have been developed. These three types of electron optical elements are of great interest for a wide range of applications in nanofabrication and analysis, as they serve as integral components of future multibeam instruments, miniaturized devices, and stroboscopic measurement setups to be developed.:1 Introduction 1.1 Charged Particle Optics 1.2 Miniaturized Charged Particle Optics 1.3 Phase Plates for Transmission Electron Microscopy 2 Charged Particle Optics 2.1 Hamiltonian Formalism 2.2 Gaussian Matrix Optics 2.3 Transfer Matrices of Magnetic Elements 2.3.1 Single Quadrupole 2.3.2 Quadrupole Multiplets 2.3.2.1 Quadrupole Doublet 2.3.2.2 Quadrupole Triplet 2.3.2.3 Higher Order Quadrupole Multiplets 2.4 Scaling Laws for Charged Particle Optics 2.4.1 Thin Film 2.4.2 Electrostatic Scaling Laws 2.4.3 Magnetic Scaling Laws 3 Design and Fabrication of Miniaturized Electron Optics 3.1 Basics of Polymer-Based Self-Assembly Technology 3.2 Basic Coil Design and Magnetic Field Simulations 3.3 CoFeSiB-Pyrex Core-Shell Micro Wires 3.4 Fabrication of Self-Assembled Micro Coil Devices 4 Optical Properties of Self-Assembled Miniaturized Electron Optics 4.1 Electron Vortex Phase Plate 4.1.1 Projected Magnetic Fields 4.1.2 Vortex Beam Characteristics 4.2 Miniaturized Deflector 4.3 Quadrupole Focusing Optic 4.4 High Frequency Characteristics of Self-Assembled Electron Optics 5 Summary and Outlook 5.1 Applications of Electron Vortex Beams with Large OAM 5.2 Optics of Large Optical Power for Pulsed Instruments 5.3 Stroboscopic TEM Measurements 5.4 Miniaturized Wigglers, Undulators and Free Electron Lasers 5.5 Towards Integrated Electron Optical Systems

This work presents a joint theoretical and experimental investigation of the electronic structure of quasi one-dimensional cuprates and vanadates. Electron energy-loss spectroscopy in transmission was employed to measure the momentum-dependent loss function of Li2CuO2, CuGeO3, V2O5 and NaV2O5. The comparison between the experimental data and the results from bandstructure as well as cluster calculations allows an explanation of the mobility and correlations of the electrons in these systems. The investigation of the electronic structure of the structurally related cuprates Li2CuO2 and CuGeO3 is exemplary for the study of the transition from a quasi zero-dimensional to a quasi one-dimensional system. In contrast to Li2CuO2 where the electron transitions are strongly localized, the excited states in CuGeO3 can be assigned to the electron hopping to the nearest-neighboured CuO4 plaquettes. The shift of spectral weight from the high energy to the low energy region with increasing coupling between the plaquettes, observed in edge-sharing CuO2 chains, is confirmed by the applied cluster modell. The momentum dependent loss functions of NaV2O5 deliver information about the mobility and correlations of electrons in a quarter-filled ladder system which determine the transition from the charge ordered state into the unordered state at 34 K. Thcontributions of the 3d electrons to the EELS spectra of NaV2O5 are filtered by comparing these spectra with the loss functions of the structurally related V2O5 (d0 configuration). For NaV2O5 the picture of linear chains of V-O-V rungs containing a single d electron in a molecular orbital-like state is confirmed. The comparison of the experimentally determined optical conductivities and those derived from the bandstructrure calculations yield a good agreement upon adoption of an on-site Coulomb interaction U = 2-3 eV. In contrast to the strongly anisotropic hopping within the ladder plane the intersite Coulomb interactions V are about the same size. These interactions are the driving force for the transition from an unordered state at room temperature into a zigzag ordered state observed at low temperatures. / In einer Kombination aus experimentellen und theoretischen Methoden wurden in dieser Arbeit die Elektronenstrukturen von quasi-eindimensionalen Kupraten und Vanadaten untersucht. Dazu wurde die impulsabhängige Verlustfunktion mit Hilfe der Elektronen-Energieverlustspektroskopie in Transmission an Einkristallen von Li2CuO2, CuGeO3, V2O5 und NaV2O5 gemessen. Der Vergleich der experimentellen Daten mit Ergebnissen aus Bandstruktur- und Cluster-Rechnungen erlaubte Rückschlüsse auf die Beweglichkeit und Korrelationen der Elektronen in diesen Systemen. Die Untersuchung der elektronischen Anregungen in den strukturell sehr ähnlichen Kupraten Li2CuO2 und CuGeO3 ist beispielhaft für das Studium des Übergangs von einem quasi-nulldimensionalen zu einem quasi-eindimensionalen System. In Li2CuO2 finden die elektronischen Übergänge vorwiegend lokal auf der CuO4-Plakette statt. Dagegen findet man in CuGeO3 angeregte Zustände, die als das Hüpfen der Elektronen auf benachbarte Plaketten interpretiert werden können. Das angewandte Cluster-Modell bestätigt für eine zunehmende Kopplung zwischen den Plaketten die in eckenverbundenen Kupratketten beobachtete Verschiebung des spektralen Gewichts vom hoch- zum niederenergetischen Bereich. Die Verlustfunktionen von NaV2O5 liefern wertvolle Informationen über die Freiheitsgrade und Korrelationen der Elektronen in einem viertelgefüllten Leitersystem, die wesentlich den Phasenübergang zwischen geordneter und ungeordneter Ladung bei 34 K bestimmen. Die Beiträge der 3d-Elektronen von NaV2O5 zu den EELS-Spektren konnten durch eine vergleichende Studie der Verlustfunktionen des strukturell verwandten V2O5, das keine d-Elektronen besitzt, separiert werden. Die Beschreibbarkeit der Elektronenstruktur in NaV2O5 durch ein effektives Modell einfach besetzter, molekülähnlicher V-O-V-Sprossen wird bestätigt. Die Coulomb-Wechselwirkung U kann in diesem Modell auf den Wertebereich zwischen 2 und 3 eV eingeschränkt werden. Im Gegensatz zu den stark anisotropen Hüpfwahrscheinlichkeiten in der Leiterebene sind die Coulomb-Wechselwirkungen V zwischen Elektronen auf benachbarten Vanadiumplätzen nahezu von gleicher Größe. Diese Wechselwirkungen sind die treibende Kraft für den Übergang von einem ungeordneten Zustand bei Raumtemperatur in einen zickzackgeordneten Grundzustand bei tiefen Temperaturen.

Imaging with THz radiation at nanoscale resolution is highly desirable for specific material investigations that cannot be obtained in other parts of the electromagnetic spectrum. Nevertheless, classical free-space focusing of THz waves is limited to a >100 μm spatial resolution, due to the diffraction limit. However, the scattering- type scanning near-field optical microscopy (s-SNOM) promises to break this diffraction barrier. In this work, the realization of s-SNOM and spectroscopy for the THz spectral region from 30–300 μm (1–10 THz) is presented. This has been accomplished by using two inherently different radiation sources at distinct experimental setups: A femtosecond laser driven photoconductive antenna, emitting pulsed broadband THz radiation from 0.2–2 THz and a free-electron laser (FEL) as narrow-band high-intensity source, tunable from 1.3–10 THz. With the photoconductive antenna system, it was demonstrated for the first time that near-field spectroscopy using broadband THz-pulses, is achievable. Hereby, Terahertz time-domain spectroscopy with a mechanical delay stage (THz-TDS) was realized to obtain spectroscopic s-SNOM information, with an additional asynchronous optical sampling (ASOPS) option for rapid far-field measurements. The near-field spectral capabilities of the microscope are demonstrated with measurements on gold and on variably doped silicon samples. Here it was shown that the spectral response follows the theoretical prediction according to the Drude and the dipole model. While the broadband THz-TDS based s-SNOM in principle allows for the parallel recording of the full spectral response, the weak average power of the THz source ultimately limits the technique to optically investigate selected sample locations only. Therefore, for true THz near-field imaging, a FEL as a high-intensity narrow- band but highly-tunable THz source in combination with the s-SNOM technique, has been explored. Here, the characteristic near-field signatures at wavelengths from 35–230 μm are shown. Moreover, the realization of material sensitive THz near-field imaging is demonstrated by optically resolving, a structured gold rod with a reso- lution of up to 60 nm at 98 μm wavelength. Not only can the gold be distinguished from the silica substrate but moreover parts of the structure have been identified to be residual resin from the fabrication process. Furthermore, in order to explore the resolution capabilities of the technique, the near-fields of patterned gold nano- structures (Fischer pattern) were imaged with a 50 nm resolution at wavelengths up to 230 μm (1.2 THz). Finally, the imaging of a topography-independent optical material contrast of embedded organic structures, at exemplary 150 μm wavelength is shown, thereby demonstrating that the recorded near-field signal alone allows us to identify materials on the nanometer scale. The ability to measure spectroscopic images by THz-s-SNOM, will be of benefit to fundamental research into nanoscale composites, nano-structured conductivity phenomena and metamaterials, and furthermore will enable applications in the chemical and electronics industries. / Die Bildgebung mit THz Strahlung im Nanobereich ist höchst wünschenswert für genaue Materialuntersuchungen, welche nicht in anderen Spektralbereichen durchgeführt werden kann. Aufgrund des Beugungslimits ist kann jedoch mit klassischen Methoden keine bessere Auflösung als etwa 100 μm für THz-Strahlung erreicht werden. Die Methode der Streulicht-Nahfeldmikroskopie (s-SNOM) verspricht jedoch dieses Beugungslimit zu durchbrechen. In der vorliegenden Arbeit wird die Realisierung der Nahfeld-Mikroskopie und Spektroskopie im THz-Spektralbereich von 30–1500 μm (0.2–10 THz) präsentiert. Dies wurde mittels zweier grundsätzlich unterschiedlichen Strahlungsquellen an separaten Experimentaufbauten erreicht: Einer photoleitenden Antenne welche gepulste breitbandige THz-Strahlung von 0.2–2 THz emittiert, sowie einem Freie- Elektronen Laser (FEL) als schmalbandige hochleistungs Quelle, durchstimmbar von 1.3–10 THz. Mit dem photoleitenden Antennensystem konnte zum ersten mal demonstriert werden, dass mit breitbandigen THz-Pulsen Nahfeldspektroskopie möglich ist. Dazu wurde die übliche THz-Time-Domain-Spektroskopie (THz-TDS) zur Erhaltung der spektroskopischen s-SNOM Informationen, sowie asynchrones optisches Abtasten (ASOPS) für schnelle Fernfeld Spektroskopie eingesetzt. Die nahfeldspektroskopischen Fähigkeiten des Mikroskops wurden anhand von Messungen an Gold sowie unterschiedlich dotierten Siliziumproben demonstriert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die spektrale Antwort den theoretischen Voraussagen des Drude- sowie Dipol Modells folgt. Während das breitband THz-TDS basierte s-SNOM spektroskopische Nahfelduntersuchungen zulässt, limitiert jedoch die schwache Ausgangsleistung der THz-quelle diese Technik insofern, dass praktisch nur Punktspektroskopie an ausgesuchten Probenstellen möglich ist. Für echte nanoskopische Nahfeldbildgebung wurde daher ein FEL als durchstimmbare hochleistungs THz-Quelle in Kombination mit der s-SNOM-Technik erforscht. Hierzu wurden die charakteristischen Nahfeld-Signaturen bei Wellenlängen von 35–230 μm untersucht, gefolgt von die Verwirklichung materialsensitiver THz Nahfeldbildgebung gezeigt an Goldstreifen mit bis zu 60 nm Auflösung. Dabei kann nicht nur das Gold von dem Glassubstrat unterschieden werden, sondern auch Ablagerungen als Überreste des Fabrikationsprozesses identifiziert werden. Um die Grenzen der Auflösungsmöglichkeiten dieser Technik zu sondieren, wurden weiterhin die Nahfelder von gemusterten Gold-Nanostrukturen (Fischer-Pattern) bei Wellenlängen bis zu 230 μm (1.2 THz) abgebildet. Hierbei wurde eine Auflösung von 50 nm festgestellt. Schliesslich konnte der topographieunabhängige Materialkontrast von eingebetteten organischen Strukturen, exemplarisch bei 150 μm Wellenlänge, gezeigt werden. Die Fähigkeit, spektroskopische Aufnahmen mittels der THZ-s-SNOM Technik zu erzeugen, wird der Grundlagenforschung und in der Nanotechnologie zu Gute kommen, und weiterhin Anwendungen in der Chemischen- und Halbleiterindustrie ermöglichen.