In der vorliegenden Arbeit wird der Nachweis erbracht, dass ein miniaturisiertes Schrittschaltwerk aus einkristallinem Silizium mittels verfügbarer Mikrotechnologien realisierbar ist. Dazu wird die aus der Feinwerktechnik bekannte mechanische Anordnung so angepasst, dass sie mit den Möglichkeiten der gewählten Technologien herstellbar wird. Eine Besonderheit ist die Verwendung flexibler Gelenke. Dadurch entfallen Montage und Justage, die Struktur ist monolithisch. Auch der Werkstoff und das Aktuationsprinzip unterscheiden sich von denen herkömmlicher Schrittschaltwerke. Wegen seiner ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften wird einkristallines Silizium ausgewählt. Bei den Antrieben kommt das elektrostatische Wirkprinzip zur Anwendung. Nach einer Einführung in das Themengebiet werden Entwurf und Herstellung des Schrittschaltwerkes behandelt. Die Beschreibung der messtechnischen Charakterisierung und ihrer Ergebnisse schließt sich an. Ein Ausblick auf mögliche Applikationen bildet den Abschluss der Arbeit.

Die enormen Fortschritte und Erkenntnisse der Medizin und der damit einhergehenden gestiegenen mittleren globalen Lebenserwartung von indes knapp 75 Jahren fußen auch auf den medizinischen Entwicklungen des 20. Jahrhunderts, da durch diese z. B. infektiöse und onkologische Erkrankungen, Diabetes, Bluthochdruck, Herzinsuffizienz, Magengeschwüre, Depressionen, Hämophilie und andere Krankheiten erfolgreich therapiert werden können. Die entwickelten Therapiemethoden beruhten im Wesentlichen auf chirurgischen und intensivmedizinischen Neuerungen, chemischen Wirkstoffen, belastungsfähigen Implantaten und extrakorporalen Systemen. Im 21. Jahrhundert hingegen sind medizinische Neuerungen im molekularbiologischen Bereich zu erwarten, wie beispielsweise in der Zellbiologie, DNA-Analyse und -Transfer oder in der regenerativen Medizin. In Letzterer werden autologe regenerative Mechanismen als therapeutisches Prinzip genutzt, um funktionsgestörte Zellen, Gewebe und Organe entweder durch den biologischen Ersatz oder durch die Anregung körpereigener Regenerations- und Reparaturprozesse zu erhalten bzw. wiederherzustellen.

Mit der Entdeckung des Gleichrichter-Effekts 1873 wurde der theoretische Grundstein für die Halbleiter-Diode gelegt. Heutzutage sind Dioden auf nahezu allen elektronischen Schaltungen zu finden. Sie erfüllen dabei unterschiedlichste Aufgaben und finden Anwendung zum Beispiel als Gleichrichter, RF-Widerstand oder ESD-Schutzstruktur. Dioden basieren auf einem p/n-Übergang, welcher den Stromfluss in eine Richtung passieren lässt und in die andere Richtung sperrt. Bei PIN-Dioden wird zwischen der p-dotierten und der n-dotierten Zone noch ein intrinsisches bzw. niedrig dotiertes Gebiet eingefügt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Silizium- und GaAs- basierte PIN-Dioden für den Einsatz als ESD-Schutzstruktur und für Anwendungen in der Leistungselektronik untersucht. Mit Hilfe von TCAD-Simulationen wurden verschiedene Eigenschaften der PIN-Dioden unter Einwirkung eines ESD-Ereignisses analysiert. Die Bildung und Bewegung von Stromfilamenten konnte dabei beobachtet werden. Es stellte sich heraus, dass die Geometrie der Schutzdiode einen direkten Einfluss auf deren Lebensdauer hat. Es konnten Designvorschläge für ein optimiertes ESD-Schutzverhalten gemacht werden. Zur Validierung der Ergebnisse wurden verschiedene PIN-Dioden hergestellt und mittels TLP-Messung charakterisiert. Bei sehr schmalen Strukturgrößen konnten mehrere Spannungsabfälle beobachtet werden, was auf das Vorhandensein mehrerer Stromfilamente hindeutet. Diese Vermutung konnte anhand von TCAD-Simulationen bestätigt werden. Zur Analyse eines Layouts auf dessen ESD-Robustheit sind zeitintensive TCAD-Simulationen ungeeignet. Aus diesem Grund wurden auf Basis der TLP-Messungen und TCAD-Simulationen layoutabhängige Kompaktmodelle entwickelt. Diese ermöglichen eine schnelle Simulation der rückläufigen Kennlinie einer in Sperrrichtung vorgespannten PIN-Diode. Zusätzlich konnten die Bildung und Bewegung eines Stromfilaments nachgebildet werden. Im Hinblick auf Anwendungsmöglichkeiten in der Leistungselektronik, wurden Untersuchungen an GaAs-basierten PIN-Dioden durchgeführt. Diese zeichnen sich vor allem durch deutlich höhere Durchbruchspannungen aus. Mit TCAD-Simulationen und Hochspannungsmessungen wurden die Dioden charakterisiert. Aus den gewonnenen Erkenntnissen konnte ein analytisches Modell abgeleitet werden, was eine Optimierung der Diodenstruktur im Hinblick auf die Durchbruchspannung ermöglichte.

Im Sommer 1999 wurde im Forschungszentrum eine Zweistrahlführung in Betrieb genommen. Dieses System gestattet, Ionenarten aus unterschiedlichen Beschleunigern gleichzeitig in die Experimentierstationen zu lenken. In der Doppelimplantationsstation wird die Zweistrahlführung zur Synthese neuartiger Materialien genutzt. In der Analysestation wird die Zweistrahlführung in Kombination mit einem magnetischen Browne-Buechner-Spektrometer eingesetzt, um komplexe und hochgenaue Materialanalysen durchzuführen. Das System überträgt Ionen des gesamten Teilchen- und Energiespektrums von 3-MV-Tandetron-Beschleuniger und 500-kV-Ionenimplanter mit minimalen Intensitätsverlusten zu den Experimenten. Steuerung und Kontrolle von Beschleunigern, Strahlführung und Experiment erfolgen in einem hierarchischen Rechnernetz. Die hier beschriebene Zweistrahlanlage ist Teil eines Projekts zur umfassenden Kopplung von Basisgeräten des Forschungszentrums.

Flocktechnologie ist eine im Bereich der Textiltechnik angewandte Methode, bei der kurze Fasern nahezu senkrecht auf ein vorher mit Klebstoff beschichtetes Substrat aufgebracht werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die elektrostatische Beflockung als Methode zur Herstellung von porösen, dreidimensionalen Scaffolds für das Tissue Engineering von Knorpel und Knochen etabliert. Dieser neuartige Scaffoldtyp wurde eingehend charakterisiert und in Zellversuchen im Hinblick auf seine Biokompatibilität untersucht. Dabei zeigte sich, dass verschiedene Zellen im Scaffold proliferieren und differenzieren können. Die in der Arbeit beschriebenen Flockscaffolds stellen somit eine vielversprechende Matrix für die Therapie von Gelenkknorpeldefekten dar.

The exploitation of colloidal building blocks with morphological and functional anisotropy facilitates the generation of complex structures with unique properties, which are not exhibited by isotropic particle assemblies. Herein, we demonstrate an easy and scalable bottom-up approach for the programmed assembly of hairy oppositely charged homogeneously decorated and Janus particles based on electrostatic interactions mediated by polyelectrolytes grafted onto their surface. Two different assembly routes are proposed depending on the target structures: raspberry-like/half-raspberry-like or dumbbell-like micro-clusters. Ultimately, stable symmetric and asymmetric microstructures could be obtained in a well-controlled manner for the homogeneous–homogeneous and homogeneous–Janus particle assemblies, respectively. The spatially separated functionalities of the asymmetric Janus particle-based micro-clusters allow their further assembly into complex hierarchical constructs, which may potentially lead to the design of materials with tailored plasmonics and optical properties.

In der vorliegenden Arbeit wird der Nachweis erbracht, dass ein miniaturisiertes Schrittschaltwerk aus einkristallinem Silizium mittels verfügbarer Mikrotechnologien realisierbar ist. Dazu wird die aus der Feinwerktechnik bekannte mechanische Anordnung so angepasst, dass sie mit den Möglichkeiten der gewählten Technologien herstellbar wird. Eine Besonderheit ist die Verwendung flexibler Gelenke. Dadurch entfallen Montage und Justage, die Struktur ist monolithisch. Auch der Werkstoff und das Aktuationsprinzip unterscheiden sich von denen herkömmlicher Schrittschaltwerke. Wegen seiner ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften wird einkristallines Silizium ausgewählt. Bei den Antrieben kommt das elektrostatische Wirkprinzip zur Anwendung. Nach einer Einführung in das Themengebiet werden Entwurf und Herstellung des Schrittschaltwerkes behandelt. Die Beschreibung der messtechnischen Charakterisierung und ihrer Ergebnisse schließt sich an. Ein Ausblick auf mögliche Applikationen bildet den Abschluss der Arbeit.

Im Sommer 1999 wurde im Forschungszentrum eine Zweistrahlführung in Betrieb genommen. Dieses System gestattet, Ionenarten aus unterschiedlichen Beschleunigern gleichzeitig in die Experimentierstationen zu lenken. In der Doppelimplantationsstation wird die Zweistrahlführung zur Synthese neuartiger Materialien genutzt. In der Analysestation wird die Zweistrahlführung in Kombination mit einem magnetischen Browne-Buechner-Spektrometer eingesetzt, um komplexe und hochgenaue Materialanalysen durchzuführen. Das System überträgt Ionen des gesamten Teilchen- und Energiespektrums von 3-MV-Tandetron-Beschleuniger und 500-kV-Ionenimplanter mit minimalen Intensitätsverlusten zu den Experimenten. Steuerung und Kontrolle von Beschleunigern, Strahlführung und Experiment erfolgen in einem hierarchischen Rechnernetz. Die hier beschriebene Zweistrahlanlage ist Teil eines Projekts zur umfassenden Kopplung von Basisgeräten des Forschungszentrums.

Wir schlagen einen allgemein anwendbaren Algorithmus vor, der unter Verwendung des Skalarprodukts von Kraft und Weg zum richtigen Vorzeichen in den Gleichungen für die Arbeit und die Potentielle Energie bei reversiblen Prozessen (Druck-Volumen-Änderung, Dehnung, Elektrostatische Wechselwirkung, Hub)führt. Wir zeigen, dass es dabei möglich ist, systemimmanente oder externe Kräfte zu benutzen. Wir zeigen, dass bei Verwendung von systemimmanenten Kräften das Skalarprodukt mit negativem Vorzeichen anzusetzen ist. Zudem ist es sehr wichtig, nötige Vorzeichenwechsel bei den einzelnen Schritten zu beachten. Wir betonen dies, weil gelegentlich übersehen wird, dass ein Vorzeichenwechsel nötig ist, wenn das Wegdifferential ds durch das Höhendifferential dh beziehungsweise durch das Abstandsdifferential dx oder dr ersetzt werden muss.

Flocktechnologie ist eine im Bereich der Textiltechnik angewandte Methode, bei der kurze Fasern nahezu senkrecht auf ein vorher mit Klebstoff beschichtetes Substrat aufgebracht werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die elektrostatische Beflockung als Methode zur Herstellung von porösen, dreidimensionalen Scaffolds für das Tissue Engineering von Knorpel und Knochen etabliert. Dieser neuartige Scaffoldtyp wurde eingehend charakterisiert und in Zellversuchen im Hinblick auf seine Biokompatibilität untersucht. Dabei zeigte sich, dass verschiedene Zellen im Scaffold proliferieren und differenzieren können. Die in der Arbeit beschriebenen Flockscaffolds stellen somit eine vielversprechende Matrix für die Therapie von Gelenkknorpeldefekten dar.