In our experiments, the icing temperature of small water volumes placed on different pyroelectric single crystals (SrxBa1−xNb2O6, LiNbO3, and LiTaO3) was determined using two measurement setups: (1) the sessile droplet and (2) ring system method. In the first method, a free-standing water droplet was exposed to several external factors in the air environment. This was found to lead to higher icing temperatures compared to the second method where the water was more isolated from external factors such as evaporation. In the second method, the material of the ring system was found to be an important factor determining the freezing temperature of the enclosed water. A recommendation for the application of both methods is given, their advantages and disadvantages depending on the purpose of measurement, and their reproducibility for practical applications. In addition to this, the correlation between pyroelectricity and icing temperature, with regard to several types of internal and external factors affecting water freezing, is also discussed in the paper.

Die Langzeitsicherheitsanalyse für ein Endlager für nukleare Abfälle bedarf einer eingehenden Beschreibung der Mobilität von Radionukliden im Nah- und Fernfeld des Endlagers. Da extrem lange Zeiträume von bis zu einer Million Jahren abgebildet werden müssen, muss diese Beschreibung auf einem molekularen Prozessverständnis beruhen. Nur dann ist eine unbegrenzte zeitliche Extrapolation zulässig. Die wichtigsten Rückhalteprozesse finden an der Wasser/Mineralgrenzfläche statt, wobei in einem realen Endlager sehr viele primäre und sekundäre Mineralphasen vorhanden sind, mit denen die Radionuklide wechselwirken können. Zudem stehen eine Vielzahl verschiedener Reaktionsmechanismen zur Verfügung – innersphärische oder außersphärische Sorption, struktureller Einbau, Oberflächenfällung etc. – die sich hinsichtlich ihrer Rückhaltefähigkeit deutlich unterscheiden. Somit muss auf hochsensitive Methoden zurückgegriffen werden, die in der Lage sind, selektiv Informationen über die relevanten Radionuklide innerhalb der Grenzschicht zu liefern. Die in dieser Arbeit hauptsächlich verwendeten Methoden, die zeitaufgelöste Laser-induzierte Fluoreszenzspektroskopie (TRLFS), und die Oberflächenröntgenbeugungsmethoden crystal truncation rod (CTR) Messung und resonant anomalous X-ray reflectivity (RAXR), haben sich als effiziente Werkzeuge zur Ermittlung struktureller und Speziationsdaten erwiesen. So konnte im Rahmen dieser Arbeit die Wechselwirkung der Radionuklide U, Pu, Am und Cm mit verschiedenen Mineralphasen aufgeklärt, sowie die Abhängigkeit dieser Reaktionen von der Lösungszusammensetzung beschrieben werden.:1 Einleitung 9 1.1 Zeitaufgelöste laser-induzierte Fluoreszenzspektroskopie 12 1.2 Oberflächenröntgenbeugung 18 2 Spektroskopische Charakterisierung von Einbauprozessen 21 2.1 Biswas S, Steudtner R, Schmidt M, McKenna C, Vintró LL 25 Twamley B, et al. An investigation of the interactions of Eu3+ and Am3+ with uranyl minerals: implications for the storage of spent nuclear fuel. Dalton Transactions. 2016; 45(15):6383-93. 2.2 Schmidt M, Heck S, Bosbach D, Ganschow S, Walther 36 C, Stumpf T. Characterization of powellite-based solid solutions by site-selective time resolved laser fluorescence spectroscopy. Dalton Transactions. 2013;42(23):8387 - 93. 2.3 Hellebrandt SE, Hofmann S, Jordan N, Barkleit A, Schmidt M. 43 Incorporation of Eu(III) into Calcite under recrystallization conditions. Scientific Reports. 2016;6:33137. 2.4 Johnstone EV, Hofmann S, Cherkouk A, Schmidt M. 53 Study of the Interaction of Eu3+ with Microbiologically Induced Calcium Carbonate Precipitates using TRLFS. Environmental Science & Technology. 2016;50(22):12411-20. 3 Oberflächeninduzierte Kondensationsreaktionen 63 3.1 Lee SS, Schmidt M, Fister TT, Nagy KL, Sturchio NC, Fenter P. 65 Structural Characterization of Aluminum (Oxy)hydroxide Films at the Muscovite (001)–Water Interface. Langmuir. 2016; 32(2):477-86. 3.2 Hellebrandt S, Lee SS, Knope KE, Lussier AJ, Stubbs JE, Eng 75 PJ, et al. Cooperative effects of adsorption, reduction, and polymerization observed for hexavalent actinides on the muscovitebasal plane. Langmuir. 2016; 32(41):10473-82.6 3.3 Schmidt M, Lee SS, Wilson RE, Knope KE, Bellucci F, Eng 85 PJ, et al. Surface-Mediated Formation of Pu(IV) Nanoparticles at the Muscovite-Electrolyte Interface. Environmental Science & Technology. 2013;47(24):14178-84. 4 Elektrolyteffekte auf Oberflächenprozesse 92 4.1 Lee SS, Schmidt M, Laanait N, Sturchio NC, Fenter P. 94 Investigation of Structure, Adsorption Free Energy, and Overcharging Behavior of Trivalent Yttrium Adsorbed at the Muscovite (001)–Water Interface. The Journal of Physical Chemistry C. 2013;117(45):23738-49. 4.2 Schmidt M, Hellebrandt S, Knope KE, Lee SS, Stubbs JE, 106 Eng PJ, et al. Effects of the Background Electrolyte on Th(IV) Sorption to Muscovite Mica. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2015;165:280-93. 4.3 Hofmann S, Voïtchovsky K, Schmidt M, Stumpf T. Trace 120 concentration – Huge impact: Nitrate in the calcite/Eu(III) system. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2014;125:528-38. 4.4 Hofmann S, Voïtchovsky K, Spijker P, Schmidt M, Stumpf 131 T. Visualising the molecular alteration of the calcite (104)–water interface by sodium nitrate. Scientific Reports. 2016; 6:21576. 5 Schlussfolgerungen 142 Literatur 146 / The safety assessment of a nuclear waste disposal site requires the accurate description of the radionuclides’ mobility in the near and far field of the site. This description must rely on molecular level understanding of the occurring processes to allow extrapolation for time frames of up to one million years. The most important retention mechanisms take place at the water/mineral interface. A disposal site will contain a large number of mineral phases, both as primary and secondary minerals. Moreover, a large number of potential reaction pathways is conceivable, and must be investigated: inner and outer sphere sorption, structural incorporation, surface precipitation, etc. As these mechanisms will differ significantly in their retention potential, it is crucial to be able to differentiate between them. Hence, the need arises for analytical techniques capable of providing selective information about radionuclides at the water/mineral interface. This work employs time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy (TRLFS), as well as the surface X-ray diffraction techniques crystal truncation rod (CTR) measurements and resonant anomalous X-ray reflectivity (RAXR) as efficient tools to obtain both structural and speciation data from these systems. Following this approach, the interaction of the radionuclides U, Pu, Am, and Cm with various mineral phases could be elucidated, while also characterizing the dependence of these reactions on the composition of the aqueous solution.:1 Einleitung 9 1.1 Zeitaufgelöste laser-induzierte Fluoreszenzspektroskopie 12 1.2 Oberflächenröntgenbeugung 18 2 Spektroskopische Charakterisierung von Einbauprozessen 21 2.1 Biswas S, Steudtner R, Schmidt M, McKenna C, Vintró LL 25 Twamley B, et al. An investigation of the interactions of Eu3+ and Am3+ with uranyl minerals: implications for the storage of spent nuclear fuel. Dalton Transactions. 2016; 45(15):6383-93. 2.2 Schmidt M, Heck S, Bosbach D, Ganschow S, Walther 36 C, Stumpf T. Characterization of powellite-based solid solutions by site-selective time resolved laser fluorescence spectroscopy. Dalton Transactions. 2013;42(23):8387 - 93. 2.3 Hellebrandt SE, Hofmann S, Jordan N, Barkleit A, Schmidt M. 43 Incorporation of Eu(III) into Calcite under recrystallization conditions. Scientific Reports. 2016;6:33137. 2.4 Johnstone EV, Hofmann S, Cherkouk A, Schmidt M. 53 Study of the Interaction of Eu3+ with Microbiologically Induced Calcium Carbonate Precipitates using TRLFS. Environmental Science & Technology. 2016;50(22):12411-20. 3 Oberflächeninduzierte Kondensationsreaktionen 63 3.1 Lee SS, Schmidt M, Fister TT, Nagy KL, Sturchio NC, Fenter P. 65 Structural Characterization of Aluminum (Oxy)hydroxide Films at the Muscovite (001)–Water Interface. Langmuir. 2016; 32(2):477-86. 3.2 Hellebrandt S, Lee SS, Knope KE, Lussier AJ, Stubbs JE, Eng 75 PJ, et al. Cooperative effects of adsorption, reduction, and polymerization observed for hexavalent actinides on the muscovitebasal plane. Langmuir. 2016; 32(41):10473-82.6 3.3 Schmidt M, Lee SS, Wilson RE, Knope KE, Bellucci F, Eng 85 PJ, et al. Surface-Mediated Formation of Pu(IV) Nanoparticles at the Muscovite-Electrolyte Interface. Environmental Science & Technology. 2013;47(24):14178-84. 4 Elektrolyteffekte auf Oberflächenprozesse 92 4.1 Lee SS, Schmidt M, Laanait N, Sturchio NC, Fenter P. 94 Investigation of Structure, Adsorption Free Energy, and Overcharging Behavior of Trivalent Yttrium Adsorbed at the Muscovite (001)–Water Interface. The Journal of Physical Chemistry C. 2013;117(45):23738-49. 4.2 Schmidt M, Hellebrandt S, Knope KE, Lee SS, Stubbs JE, 106 Eng PJ, et al. Effects of the Background Electrolyte on Th(IV) Sorption to Muscovite Mica. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2015;165:280-93. 4.3 Hofmann S, Voïtchovsky K, Schmidt M, Stumpf T. Trace 120 concentration – Huge impact: Nitrate in the calcite/Eu(III) system. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2014;125:528-38. 4.4 Hofmann S, Voïtchovsky K, Spijker P, Schmidt M, Stumpf 131 T. Visualising the molecular alteration of the calcite (104)–water interface by sodium nitrate. Scientific Reports. 2016; 6:21576. 5 Schlussfolgerungen 142 Literatur 146

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der elektrischen Polarisation auf Eigenschaften freier Träger in ZnO basierten Halbleiterheterostrukturen. Dabei werden insbesondere Transporteigenschaften freier Träger sowie deren Rekombinationsdynamik untersucht. Die Arbeit behandelt vier inhaltliche Schwerpunkte. Der erste Schwerpunkt liegt auf den physikalischen Eigenschaften der verwendeten Materialen, hier wird der Zusammenhang der Bandlücke und der Gitterkonstanten von MgZnO Dünnfilmen und deren Magnesiumgehalt beschrieben. Weiterhin wird die Morphologie solcher Filme diskutiert. Auf unterschiedliche Substrate und Abscheidebedingungen wird dabei detailliert eingegangen. Der zweite Schwerpunkt behandelt die Eigenschaften undotierter und phosphordotierter ZnO und MgZnO Dünnfilme. Die strukturellen, Transport- und Lumineszenzeigenschaften werden hier verglichen und Rückschlüsse auf die Züchtungsbedingungen gezogen. Im dritten Schwerpunkt werden Quanteneffekte an ZnO/MgZnO Grenzflaechen behandelt. Hierbei wird insbesondere auf den Einfluss der elektrischen Polarisation eingegangen. Die Präsenz eines zweidimensionalen Elektronengases wird nachgewiesen, und die notwendigen Bedingungen zur Entstehung des sogenannten qunatum confined Stark-effects werden dargelegt. Insbesondere wird hier auf züchtungsrelevante Parameter eingegangen. Den vierten Schwerpunkt stellen Kopplungsphänomene in ZnO/BaTiO3 Heterostrukturen dar. Dabei werden zuerst die experimentell beobachten Eigenschaften verschiedener Heterostrukturen die auf unterschiedlichen Substraten gezüchtet wurden aufgezeigt. Hier stehen strukturelle und Transporteigenschaften im Vordergrund. Ein Modell zur Beschreibung der Ausbildung von Raumladungszonen in derartigen Heterostrukturen wird eingeführt und zur Beschreibung der experimentellen Ergebnisse angewandt. Die Nutzbarkeit der ferroelektrischen Eigenschaften des Materials BaTiO3 in Kombination mit halbleitendem ZnO wurden untersucht. Hierzu wurden ferroelektrische Feldeffekttransistoren unter Verwendung beider Materialien hergestellt. Die prinzipielle Eignung der Bauelemente als nichtflüchtige Speicherelemente wurde nachgewiesen.

In dieser Dissertation diskutiere ich theoretische Methoden zur Simulation von Grenzflächen zwischen Metallen und Molekülen auf atomarer Maßstabsebene, die für die Speicherung und Erzeugung "sauberer" Energie von Bedeutung sind, und wende sie an. Wir verwenden die Dichtefunktionaltheorie für das elektronische Subsystem und verschiedene Methoden wie die (quasi-)harmonische Näherung und die Pfadintegral-Molekulardynamik, um die Quanteneigenschaften des nuklearen Subsystems zu berücksichtigen. Wir berechnen den Isotopeneffekt auf die Arbeitsfunktion von Cyclohexan, das an der Rh(111)-Oberfläche adsorbiert wird, ein Effekt, der sich aus der Elektron-Phonon-Kopplung nur dann ergibt, wenn die nuklearen Freiheitsgrade quantenmechanisch behandelt werden. Deuteriertes Cyclohexan C6D12 hat einen größeren Adsorptionsabstand als gewöhnliches Cyclohexan. Pfadintegral-Molekulardynamiksimulationen zeigen auch eine temperaturabhängige Renormierung der elektronischen Zustandsdichte in diesem System. Schließlich befassen wir uns mit Oberflächenreaktionen auf einer geladenen metallischen Oberfläche. Wir stellen unsere Implementierung der Nudged-Elastic-Band-Methode (NEB) im i-PI-Paket vor und diskutieren ihre Leistungsfähigkeit. Anschließend setzen wir die Methode ein, um die Energiebarriere der Wasserspaltungsreaktion auf einer Pd(111)-Oberfläche zu berechnen, die einem elektrischen Feld unterschiedlicher Intensität ausgesetzt ist. Wir zeigen, dass die niedrigste Dissoziationsbarriere auftritt, wenn das Feld eine Stärke erreicht, die eine geometrische Frustration des auf der Oberfläche adsorbierten Wassermoleküls hervorruft, und dass die Nullpunktenergiebeiträge zur Barriere dieser Reaktion über den weiten Bereich der auf das System angelegten elektrischen Feldstärken nahezu konstant bleiben. Wir erklären dies durch eine gegenseitige Aufhebung der Rot- und Blauverschiebungen einzelner Schwingungsmoden zwischen Reaktant und Übergangszustand. / In this thesis, I discuss and apply theoretical methods for simulating interfaces between metals and molecules of relevance to "clean" energy storage and production on an atomistic scale. We use density-functional theory for the electronic subsystem and various methods such as (quasi-)harmonic approximation and path integral molecular dynamics to account for quantum properties of the nuclear subsystem, determining which methods are sufficient to grasp the essential phenomena while remaining computationally affordable. We calculate isotope effect on the work function of cyclohexane adsorbed on Rh(111) surface, an effect that emerges from electron-phonon coupling only when the nuclear degrees of freedom are treated quantum-mechanically. Deuterated cyclohexane C6D12 has larger adsorption distance than ordinary cyclohexane. Path integral molecular dynamics simulations also show a temperature-dependent renormalization of the electronic density of states in this system, induced by both thermal and quantum fluctuations of nuclei. Finally, we address surface reactions on a charged metallic surface. We present our implementation of the nudged elastic band (NEB) method in i-PI package and discuss its performance. We then employ the method to calculate the energy barrier of water splitting reaction on a Pd(111) surface subjected to electric fields of different strengths. We show that the lowest dissociation barrier takes place when the field reaches a strength that induces a geometric frustration of the water molecule adsorbed on the surface, and that the zero-point energy contributions to the barrier of this reaction remain nearly constant across the wide range of electric field strengths applied to the system. We explain this by a mutual cancellation of the red and blue shifts of individual vibrational modes between reactant and transition states.

Hybride anorganische/organische Systeme (HIOS) sind von großem Interesse für Grundlagenforschung und neue (opto)-elektronische Bauteile. Um effiziente Bauteile zu entwickeln, ist ein Verständnis der Energielevelanordnung (ELA) an der Grenzfläche von entscheidender Bedeutung. Es wird demonstriert, wie Oberflächen mit heterogener Austrittsarbeit die Resultate von ultravioletter Photoelektronenspektroskopie (UPS) beeinflussen. Durch den Vergleich experimenteller Daten mit Berechnungen zeigt sich, dass das lokale elektrostatische Potential oberhalb der Oberfläche zur Ausbildung einer zusätzlichen Energiebarriere für Elektronen über Bereichen mit niedriger Austrittsarbeit führt, was die gemessene Sekundärelektronenkante zu höheren kinetischen Energien verschiebt. Der Einfluss von Streifengröße und experimentellen Parametern wird theoretisch und experimentell gezeigt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird gezeigt, wie man dünne organische Donator/Akzeptor Zwischenschichten nutzen kann, um die ELA zwischen typischen anorganischen und organischen Halbleitern zu kontrollieren. Die Austrittsarbeit von anorganischen Substraten lässt sich so zwischen 2.2-6.0 eV variieren. Der Einfluss von Zuständen in der Bandlücke des anorganischen Halbleiters auf die Bandverbiegung wird im Detail untersucht und es wird ein Model vorgeschlagen, welches das Pinning des Fermi-Niveaus an diesen Zuständen beschreibt. Es wird experimentell gezeigt, dass die Dotierung des anorganischen Halbleiters kaum Einfluss auf die ELA hat. Weiterhin wird die ELA zwischen dem Übergangsmetall-Dichalcogenid WSe2 und dem organischen Akzeptor C60F48 untersucht. Mit Hilfe von STM und STS Messungen wurde gezeigt, dass C60F48 geschlossene Domänen auf WSe2 bei Bedeckung mit Submonolagen bildet und dass sich die Energielevel von WSe2 drastisch ändern. Durch Auswerten der Potentialänderung als Funktion des Abstandes von einer C60F48 Kante im STS konnte die Thomas-Fermi-Abschirmlänge von WSe2 auf etwa 2 nm bestimmt werden. / Hybrid inorganic/organic systems (HIOS) have attracted a lot of interest for fundamental studies and novel (opto)-electronic devices during the past decade. For developing efficient devices, an understanding and control of the energy level alignment (ELA) at the hybrid interface is of paramount importance. Firstly, it is demonstrated how surfaces with non-uniform local work function influence the measurement results obtained by ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS). By comparing the measured results with calculations, it is found that the electrostatic potential above the surface leads to an additional energy barrier for electrons above low work function areas, shifting the secondary electron cut-off (SECO) to higher kinetic energies in UPS (averaging effect). The influence of pattern size and measurement conditions on the SECO is shown theoretically and experimentally. In the second part it is shown how thin organic donor/acceptor interlayers can be employed to manipulate the ELA between prototypical inorganic and organic semiconductors. The work function of the inorganic substrate can be tuned between 2.2-6.0 eV. The influence of gap states within the inorganic band gap on the band bending change is investigated in detail and a model is proposed, which describes the pinning of the inorganic energy levels as a function of surface state density. It is further shown experimentally that the bulk doping concentration of the inorganic semiconductor has only little effect on the energetic alignment. Finally, the ELA of the transition metal dichalcogenide monolayer WSe2 with the organic acceptor molecule C60F48 is investigated. Using STM and STS measurements, it is revealed that the C60F48 forms domains on WSe2 in the sub-monolayer regime. By evaluating the potential change as a function of distance from a C60F48 edge in STS, it is possible to derive a value for the Thomas-Fermi screening length of WSe2 of about 2 nm.

Ziel dieser Arbeit war es, den grundlegenden Mechanismus des Ladungstransfers bei molekularer Dotierung an organisch-organischen Grenzflächen besser zu verstehen. Es wurde eine Vielfalt modernster spektroskopischer Methoden eingesetzt, um die elektronische Struktur und neue dotierungsinduzierte CT-Übergänge zu ergründen. Dazu gehören UPS und XPS für Valenzsignaturen und Kernniveauzustände. Absorptionsspektroskopie im UV-vis-NIR und Röntgenbereich wurde zur Bestimmung der Übergangsenergien eingesetzt. Schwingungsspektroskopie wurde eingesetzt, um den CT-Grad in DA-Systemen für gestapelte und gemischte Heteroübergänge zu quantifizieren. Strom-Spannungs-Messungen wurden zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit und Rasterkraftmikroskopie zur Charakterisierung der Oberflächenmorphologie eingesetzt. Die in dieser Arbeit behandelten Themen sind: (1) Planare Heteroübergänge aus DIP und F6TCNNQ wurden hergestellt. Sie wurden im Hinblick auf CT-Komplexbildung, Grenzflächendotierung und Exzitonenbindungsenergien an der D|A-Grenzfläche untersucht. (2) DBTTF wurde mit TCNNQ und F6TCNNQ in Lösung und in dünnen Filmen gemischt. Daraus wurde der Zusammenhang zwischen Dotierungsmechanismen, CTC- und IPA-Bildung, mit dem Aggregatzustand hergeleitet. (3.1) Rubren-Einkristalle wurden mit Mo(tfd)3 und CoCp2 p- und n-dotiert. Nach der Dotierung verschiebt sich die Banddispersion entsprechend, wohingegen die effektive Masse der Löcher konstant bleibt. (3.2) DBTTF-Einkristalle wurden mit TCNNQ, F6TCNNQ und Mo(tfd)3 dotiert. Aus den Änderungen der elektronischen Struktur wurden der CT über die D|A-Grenzfläche sowie die Dichte der Oberflächenzustände quantifiziert. (4) Von drei DA-Systemen mit unterschiedlicher GS-Wechselwirkungsstärke, DIP:C60, DIP:PDIR-CN2 und DIP|F6TCNNQ, wurden die Grenzflächenexzitonen charakterisiert. Ein Vergleich verschiedener Modelle, die die optische CTC Absorption aus dem DA-Energieniveauoffset beschreiben und abschätzen können, rundet die Ergebnisse ab. / The aim of this thesis was to enhance the understanding of the charge transfer mechanism during molecular doping at organic-organic interfaces. A wide range of state-of-the-art spectroscopic methods was employed to unravel the electronic structure and new CT transitions resulting from doping. This includes UPS and XPS for valence signatures and core level states. Absorption spectroscopies in the UV-vis-NIR and X-ray regions were used to determine transition energies. Vibrational spectroscopy was employed to quantify the CT degree in DA systems for stacked and mixed heterojunctions. Current-voltage measurements were used for the determination of electrical conductivities and scanning force microscopy for surface morphology characterization. The topics covered in this thesis are: (1) Planar heterojunctions of DIP and F6TCNNQ were fabricated. They were studied with regard to CT complex formation, interface doping and exciton binding energies at the D|A interface. (2) DBTTF was blended with TCNNQ and F6TCNNQ in solution and in thin films. From this, the connection of the two doping mechanisms, CTC and IPA formation, to the state of matter was derived. (3.1) Rubrene single crystals were p- and n-doped with Mo(tfd)3 and CoCp2. After doping, the band dispersion shifts accordingly, while the hole effective mass stays constant. (3.2) DBTTF single crystals were doped with TCNNQ, F6TCNNQ and Mo(tfd)3. From changes in the electronic structure, the CT across the D|A interface as well as the density of surface states were quantified. (4) From three DA systems with varying GS interaction strength, DIP:C60, DIP:PDIR–CN2 and DIP|F6TCNNQ, the interfacial excitons were characterized. A comparison of different models, which describe and allow to estimate the optical absorption in CTCs from the DA energy level offset, concludes the results.

Hf₁₋ₓZrₓO₂ (x ∼ 0.5–0.7) has been the leading candidate of ferroelectric materials with a fluorite crystal structure showing highly promising compatibility with complementary metal oxide semiconductor devices. Despite the notable improvement in device performance and processing techniques, the origin of its ferroelectric crystalline phase (space group: Pca2₁) formation has not been clearly elucidated. Several recent experimental and theoretical studies evidently showed that the interface and grain boundary energies of the higher symmetry phases (orthorhombic and tetragonal) contribute to the stabilization of the metastable non-centrosymmetric orthorhombic phase or tetragonal phase. However, there was a clear quantitative discrepancy between the theoretical expectation and experiment results, suggesting that the thermodynamic model may not provide the full explanation. This work, therefore, focuses on the phase transition kinetics during the cooling step after the crystallization annealing. It was found that the large activation barrier for the transition from the tetragonal/orthorhombic to the monoclinic phase, which is the stable phase at room temperature, suppresses the phase transition, and thus, plays a critical role in the emergence of ferroelectricity.

During development of tissues, cells collectively organize to form complex patterns and morphologies. A general feature of many developing epithelia is their distinct organization into cellular compartments of different cell lineages. The interfaces between these compartments, called compartment boundaries, maintain straight and sharp morphologies. The interfaces play key roles in tissue development and pattern formation. An important model system to study the morphology of compartment boundaries during development is the wing disc of the fruit fly. Two compartment boundaries exist in the fly wing disc, the anteroposterior (AP) boundary and the dorsoventral (DV) boundary. A crucial question is how compartment boundaries are shaped and remain stable during growth. In this work, we discuss the dynamics and mechanisms of compartment boundaries in developing epithelia. We analyze the general features of interfacial phenomena in coarse- grained models of passive and active fluids. We introduce a continuum description of tissues with two cell types. This model allows us to study the propagation of interfaces due to the interplay of cell dynamics and tissue mechanics. We also use a vertex model to describe cellular compartments in growing epithelia. The vertex model accounts for cell mechanics and describes a 2D picture of tissues where the network of adherens junctions characterizes cell shapes. We use this model to study the general physical mechanisms by which compartment boundaries are shaped. We quantify the stresses in the cellular network and discuss how cell mechanics and growth influence the stress profile. With the help of the anisotropic stress profile near the interfaces we calculate the interfacial tension. We show that cell area pressure, cell proliferation rate, orientation of cell division, cell elongation created by external stress, and cell bond tension all have distinct effects on the morphology of interfaces during tissue growth. Furthermore, we investigate how much different mechanisms contribute to the effective interfacial tension. We study the mechanisms shaping the DV boundary in wing imaginal disc at different stages during the development. We analyze the images of wing discs to quantify the roughness of the DV boundary and average cell elongation in its vicinity. We quantify increased cell bond tension along the boundary and analyze the role of localized reduction in cell proliferation on the morphology of the DV boundary. We use experimentally determined values for cell bond tension, cell elongation and bias in orientation of cell division in simulations of tissue growth in order to reproduce the main features of the time-evolution of the DV boundary shape.

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During development of tissues, cells collectively organize to form complex patterns and morphologies. A general feature of many developing epithelia is their distinct organization into cellular compartments of different cell lineages. The interfaces between these compartments, called compartment boundaries, maintain straight and sharp morphologies. The interfaces play key roles in tissue development and pattern formation. An important model system to study the morphology of compartment boundaries during development is the wing disc of the fruit fly. Two compartment boundaries exist in the fly wing disc, the anteroposterior (AP) boundary and the dorsoventral (DV) boundary. A crucial question is how compartment boundaries are shaped and remain stable during growth. In this work, we discuss the dynamics and mechanisms of compartment boundaries in developing epithelia. We analyze the general features of interfacial phenomena in coarse- grained models of passive and active fluids. We introduce a continuum description of tissues with two cell types. This model allows us to study the propagation of interfaces due to the interplay of cell dynamics and tissue mechanics. We also use a vertex model to describe cellular compartments in growing epithelia. The vertex model accounts for cell mechanics and describes a 2D picture of tissues where the network of adherens junctions characterizes cell shapes. We use this model to study the general physical mechanisms by which compartment boundaries are shaped. We quantify the stresses in the cellular network and discuss how cell mechanics and growth influence the stress profile. With the help of the anisotropic stress profile near the interfaces we calculate the interfacial tension. We show that cell area pressure, cell proliferation rate, orientation of cell division, cell elongation created by external stress, and cell bond tension all have distinct effects on the morphology of interfaces during tissue growth. Furthermore, we investigate how much different mechanisms contribute to the effective interfacial tension. We study the mechanisms shaping the DV boundary in wing imaginal disc at different stages during the development. We analyze the images of wing discs to quantify the roughness of the DV boundary and average cell elongation in its vicinity. We quantify increased cell bond tension along the boundary and analyze the role of localized reduction in cell proliferation on the morphology of the DV boundary. We use experimentally determined values for cell bond tension, cell elongation and bias in orientation of cell division in simulations of tissue growth in order to reproduce the main features of the time-evolution of the DV boundary shape.