Multi-metallic aerogels have emerged as a promising unsupported, high surface area-based metal material for different applications in heterogeneous catalysis and electrochemistry. The fabrication of these multi-metallic aerogels is based on a complex gelation process which is characterized by controlled aggregation of metallic nanoparticles to form a macroscopic network structure in aqueous solution. However, achieving structural homogeneity of the multi-metallic aerogels in terms of diameter of the nanochains and chemical composition at the nano- as well as at the macro-scale is still a great challenge. In this paper, we show the characterization of two Pd-Pt aerogels prepared by the two-step gelation method. The structural homogeneity and chemical distribution of both metals (Pd and Pt) inside the aerogels were analyzed using high-resolution (scanning) transmission microscopy (HR(S)TEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy, and cyclic voltammetry. Based on the microscopic and spectroscopic results, the Pd-Pt aerogels show the presence of Pd/Pt-rich domains inside the long-range framework. It is evident that the initial monometallic features dominate over alloying during the gelation process. Although the same synthetic approach for Pd-Pt aerogels with different atomic ratios was used, we observed that the sizes of these monometallic domains strongly varied between the Pd-rich and Pt-rich aerogels. For instance, the Pd-rich aerogels showed larger clusters with a size range from few nanometers up to several tens of nanometers, while the dimension of the clusters of the Pt-rich aerogels varies from the sub-nanometers to a few nanometers. The presence of the metal clusters strongly influenced the electrochemical robustness of these Pd-Pt aerogels. Electrochemical durability investigations revealed that the aerogels with a high content of Pd are less stable due to the gradual dissolution of the less noble metal in particular inside the Pd-rich domains. A better chemical and structural homogeneity might improve the life-time of the Pd-Pt aerogels under electrochemical conditions. In this work, we provide a better understanding about the structure and chemical distribution of the bimetallic aerogel framework prepared by the two step gelation process.

Multi-metallic aerogels have emerged as a promising unsupported, high surface area-based metal material for different applications in heterogeneous catalysis and electrochemistry. The fabrication of these multi-metallic aerogels is based on a complex gelation process which is characterized by controlled aggregation of metallic nanoparticles to form a macroscopic network structure in aqueous solution. However, achieving structural homogeneity of the multi-metallic aerogels in terms of diameter of the nanochains and chemical composition at the nano- as well as at the macro-scale is still a great challenge. In this paper, we show the characterization of two Pd-Pt aerogels prepared by the two-step gelation method. The structural homogeneity and chemical distribution of both metals (Pd and Pt) inside the aerogels were analyzed using high-resolution (scanning) transmission microscopy (HR(S)TEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy, and cyclic voltammetry. Based on the microscopic and spectroscopic results, the Pd-Pt aerogels show the presence of Pd/Pt-rich domains inside the long-range framework. It is evident that the initial monometallic features dominate over alloying during the gelation process. Although the same synthetic approach for Pd-Pt aerogels with different atomic ratios was used, we observed that the sizes of these monometallic domains strongly varied between the Pd-rich and Pt-rich aerogels. For instance, the Pd-rich aerogels showed larger clusters with a size range from few nanometers up to several tens of nanometers, while the dimension of the clusters of the Pt-rich aerogels varies from the sub-nanometers to a few nanometers. The presence of the metal clusters strongly influenced the electrochemical robustness of these Pd-Pt aerogels. Electrochemical durability investigations revealed that the aerogels with a high content of Pd are less stable due to the gradual dissolution of the less noble metal in particular inside the Pd-rich domains. A better chemical and structural homogeneity might improve the life-time of the Pd-Pt aerogels under electrochemical conditions. In this work, we provide a better understanding about the structure and chemical distribution of the bimetallic aerogel framework prepared by the two step gelation process.

Als Datengrundlage für die Erhebung von Flächennutzungsparametern, wie sie in geografischen Informationssystemen (GIS) abgelegt und verwaltet werden, dienen oft Bilddaten aus der Erdfernerkundung. Die zur Erkennung und Unterscheidung der Objekte notwendige hohe Pixelauflösung führt bei der Erfassung eines Zielgebiets wie beispielsweise einer Stadt zu enormen Datenmengen. Aus diesen Bilddaten gilt es, möglichst schnell und preiswert die für ein GIS notwendigen Informationen, wie Umrissvektoren und Objektattribute, zu extrahieren. Diese Arbeit ist ein Beitrag zur Automatisierung dieses Schritts mit besonderem Schwerpunkt auf der Gebäudeextraktion. Datengrundlage sind hochauflösende multispektrale Orthobilder und ein digitales Oberflächenmodell (DOM) der digitalen Luftbildkamera HRSC-A bzw. HRSC-AX zum Einsatz. Deswegen werden das Aufnahmeprinzip sowie die Datenverarbeitung der HRSC überblicksartig vorgestellt. Auf Basis dieser HRSC-Standarddatenprodukte wird ein Vorgehen zur Extraktion von Objekten entwickelt. In einer hierarchisch geordneten Abfolge an Segmentierungsschritten werden aus der Pixelinformation bedeutungstragende Einheiten extrahiert. Dieser Segmentierungsansatz lässt sich auf mehrere Objektkategorien, wie Straßen oder Ackerflächen, erweitern. So werden in der aktuellen Entwicklungsstufe neben Gebäuden auch Baumregionen detektiert. Anhand des Oberflächenmodells werden erhöhte Regionen erkannt. Dazu wird das DOM durch Berechnung eines Terrainmodells auf Grundhöhe normiert. Für erhöhte Objekte wird die Grundhöhe aus umliegenden Grundregionen abgeleitet. Die erhöhten Regionen werden anschließend in Bäume und Gebäude unterteilt. Dazu werden aus den Multispektraldaten Vegetationscharakteristika bestimmt und entsprechende Baumsegmente ermittelt. Die Gebäuderegionen resultieren aus einer Nachverarbeitung der verbleibenden Segmente. Um Gebäudekomplexe in einzelne Häuser aufzuteilen, wird ein gradientenbasierter Ansatz entwickelt. Anhand der für Brandmauern typischen Gradienteninformation werden Linienhypothesen zur Unterteilung der Gebäudesegmente generiert. Diese werden schrittweise anhand geometrischer und radiometrischer Kriterien auf ihre Plausibilität überprüft. Schließlich werden die ursprünglich aus dem DOM stammenden Konturen der Gebäudesegmente und deren Übereinstimung mit Bildkanten eines Orthobildes betrachtet. In einem adaptiven Ansatz wird das Konturpolygon durch die Gradienteninformation an angrenzende Bildkanten angepasst. Zur Umsetzung typischer Gebäudegeometrien wie rechter Winkel oder Parallelität werden innerhalb des Adaptionsprozesses entsprechende Nebenbedingungen formuliert. Die Extraktion erhöhter Objekte wie auch deren Unterteilung in Bäume und Gebäude erfolgt mit hoher Genauigkeit, z.B. liegen die Detektionsraten bei Gebäuden über 90%. Der neuartige Ansatz zur Unterteilung in einzelne Häuser ohne explizite Liniendetektion führt bereits in der vorgestellten Entwicklungsstufe zur Beschleunigung einer manuellen Interpretation. Die adaptive Verbesserung der Gebäudekontur führt zu gebäudetypischeren Umrissen ohne Beeinträchtigung der hohen Detektionsraten. / Remote sensing image data are often used as a basis for determining land use parameters, as they are stored and managed in geographic information systems (GIS). Covering a target area leads to an enormous amount of data due to the high pixel resolution required for recognizing and discriminating objects. To effectively derive GIS information like contour vectors or object attributes from these data, the extraction process has to be fast and cost-effective. This thesis is a contribution to the automization of this step with a focus on building extraction. High resolution multispectral ortho-images and a digital surface model (DSM), generated by the digital aerial camera HRSC-A or HRSC-AX, are used as data basis. Therefore, the HRSC imaging principle and data processing are summarized. Based on these HRSC standard data products, an object extraction scheme is developed. In a hierarchically ordered sequence of segmentation steps, meaningful units are extracted from pixel information. This segmentation approach is extendable to several object categories like streets or fields. Thus, tree regions, as well as buildings are detected in the current stage of implementation. Elevated regions are recognized using the digital surface model. For that purpose the DSM is normalized by calculating a terrain model. For elevated objects the terrain height is derived from surrounding ground regions. Subsequently, the elevated regions are separated into trees and buildings. Determining spectral characteristics of vegetation from the multispectral data leads to corresponding tree segments. The building regions result from post-processing the remaining segments. In order to split the building segments into single houses, a gradient based approach is developed. By means of the gradient information associated with firewalls, line hypotheses for subdividing the building segments are generated. Their plausibility is checked by gradually applying geometric and spectral criteria. Finally, the building contours, originally derived from the DSM, and their correspondence to image edges in an ortho-image, are considered. In an adaptive approach, the contour polygon is adjusted to neighboring image edges using the gradient information. Typical building geometries like right angles or parallelism are enforced by applying corresponding constraints in the adaption process. The extraction of elevated objects, as well as the separation into trees and buildings, is carried out with high accuracy, e.g. the building detection rates are over 90%. In the current development stage the novel approach for separating building segments into single houses without an explicit line detection already leads to a speeding-up of a manual interpretation. The adaptive improvement of building contours leads to building typical contours without affecting the high detection rates.

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Near-field optical microscopy allows the nondestructive examination of surfaces with a spatial resolution far below the diffraction limit of Abbe. In fact, the resolution of this kind of microscope is not at all dependent on the wavelength, but is typically in the range of 10 to 100 nanometers. On this scale, many materials are anisotropic, even though they might appear isotropic on the macroscopic length scale. In the present work, the previously never studied interaction between a scattering-type near-field probe and an anisotropic sample is examined theoretically as well as experimentally. In the theoretical part of the work, the analytical dipole model, which is well known for isotropic samples, is extended to anisotropic samples. On isotropic samples one observes an optical contrast between different materials, whereas on anisotropic samples one expects an additional contrast between areas with different orientations of the same dielectric tensor. The calculations show that this anisotropy contrast is strong enough to be observed if the sample is excited close to a polariton resonance. The experimental setup allows the optical examination in the visible and in the infrared wavelength regimes. For the latter, a free-electron laser was used as a precisely tunable light source for resonant excitation. The basic atomic force microscope provides a unique combination of different scanning probe microscopy methods that are indispensable in order to avoid artifacts in the measurement of the near-field signal and the resulting anisotropy contrast. Basic studies of the anisotropy contrast were performed on the ferroelectric single crystals barium titanate and lithium niobate. On lithium niobate, we examined the spectral dependence of the near-field signal close to the phonon resonance of the sample as well as its dependence on the tip-sample distance, the polarization of the incident light, and the orientation of the sample. On barium titanate, analogous measurements were performed and, additionally, areas with different types of domains were imaged and the near-field optical contrast due to the anisotropy of the sample was directly measured. The experimental results of the work agree with the theoretical predictions. A near-field optical contrast due to the anisotropy of the sample can be measured and allows areas with different orientations of the dielectric tensor to be distinguished optically. The contrast results from variations of the dielectric tensor components both parallel and perpendicular to the sample surface. The presented method allows the optical examination of anisotropies of a sample with ultrahigh resolution, and promises applications in many fields of research, such as materials science, information technology, biology, and nanooptics. / Die optische Nahfeldmikroskopie ermöglicht die zerstörungsfreie optische Unter- suchung von Oberflächen mit einer räumlichen Auflösung weit unterhalb des klas- sischen Beugungslimits von Abbe. Die Auflösung dieser Art von Mikroskopie ist unabhängig von der verwendeten Wellenlänge und liegt typischerweise im Bereich von 10-100 Nanometern. Auf dieser Längenskala zeigen viele Materialien optisch anisotropes Verhalten, auch wenn sie makroskopisch isotrop erscheinen. In der vorliegenden Arbeit wird die bisher noch nicht bestimmte Wechselwirkung einer streuenden Nahfeldsonde mit einer anisotropen Probe sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Im theoretischen Teil wird das für isotrope Proben bekannte analytische Dipol- modell auf anisotrope Materialien erweitert. Während fÄur isotrope Proben ein reiner Materialkontrast beobachtet wird, ist auf anisotropen Proben zusätzlich ein Kontrast zwischen Bereichen mit unterschiedlicher Orientierung des Dielektrizitätstensors zu erwarten. Die Berechnungen zeigen, dass dieser Anisotropiekontrast messbar ist, wenn die Probe nahe einer Polaritonresonanz angeregt wird. Der verwendete experimentelle Aufbau ermöglicht die optische Untersuchung von Materialien im sichtbaren sowie im infraroten Wellenlängenbereich, wobei zur re- sonanten Anregung ein Freie-Elektronen-Laser verwendet wurde. Das dem Nahfeld- mikroskop zugrunde liegende Rasterkraftmikroskop bietet eine einzigartige Kombi- nation verschiedener Rastersondenmikroskopie-Methoden und ermöglicht neben der Untersuchung von komplementären Probeneigenschaften auch die Unterdrückung von mechanisch und elektrisch induzierten Fehlkontrasten im optischen Signal. An den ferroelektrischen Einkristallen Lithiumniobat und Bariumtitanat wurde der anisotrope Nahfeldkontrast im infraroten WellenlÄangenbereich untersucht. An eindomÄanigem Lithiumniobat wurden das spektrale Verhalten des Nahfeldsignals sowie dessen charakteristische Abhängigkeit von Polarisation, Abstand und Proben- orientierung grundlegend untersucht. Auf Bariumtitanat, einem mehrdomänigen Kristall, wurden analoge Messungen durchgeführt und zusätzlich Gebiete mit ver- schiedenen Domänensorten abgebildet, wobei ein direkter nachfeldoptischer Kon- trast aufgrund der Anisotropie der Probe nachgewiesen werden konnte. Die experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit stimmen mit den theoretischen Vorhersagen überein. Ein durch die optische Anisotropie der Probe induzierter Nahfeldkontrast ist messbar und erlaubt die optische Unterscheidung von Gebie- ten mit unterschiedlicher Orientierung des Dielektriziätstensors, wobei eine Än- derung desselben sowohl parallel als auch senkrecht zur Probenoberfläche messbar ist. Diese Methode erlaubt die hochauflösende optische Untersuchung von lokalen Anisotropien, was in zahlreichen Gebieten der Materialwissenschaft, Speichertech- nik, Biologie und Nanooptik von Interesse ist.

Seit mit den Synchrotronstrahlungsquellen dritter Generation hochbrillante Röntgenquellen zur Verfügung stehen, haben sich Vollfeldmikroskopie und Rastersondenmikroskopie mit harter Röntgenstrahlung als besonders nützliche Untersuchungsmethoden etabliert. Insbesondere bei der vergrößernden Mikroskopie mit harter Röntgenstrahlung werden Röntgenkameras mit hoher Anforderung bezüglich der Ortsauflösung benötigt. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein zweidimensionaler Röntgendetektor für die Mikroskopie mit harter Röntgenstrahlung entworfen, gebaut und im Experiment getestet und charakterisiert. Hauptaugenmerk war dabei ein möglichst hohes Ortsauflösungsvermögen des Detektors verbunden mit einem großen effektiven dynamischen Bereich. Als vielversprechendes Konzept erwies sich dabei die Verwendung eines einkristallinen Szintillators, der mittels einer Mikroskopoptik auf einen CCD-Chip abgebildet wird. Im Experiment stellte sich heraus, dass der im Zuge dieser Diplomarbeit konzipierte Flächendetektor sämtliche an ihn gestellten Anforderungen hervorragend erfüllt. Obwohl ursprünglich für die vergrößernde Tomographie mit harter Röntgenstrahlung entwickelt, findet die Röntgenkamera darüber hinaus beim Justieren nanofokussierender refraktiver Röntgenlinsen in Rastersondenmikroskopen Verwendung.:1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Das Erzeugen von Röntgenstrahlung . . . . . . . . . . . . 3 2.1 Röntgenröhren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.2 Synchrotronstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3 Sonstige Röntgenquellen . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3 Röntgendetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.1 Gasionisationsdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.2 Halbleiterdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.3 Szintillationsdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.4 Röntgenfilme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.5 Bildplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.6 CCD-Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.6.1 Funktionsweise eines CCD-Chips . . . . . . . . . . . . 20 3.6.2 Direkte CCD-Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.6.3 CCD-Detektoren mit Faseroptiken . . . . . . . . . . . 25 3.6.4 CCD-Detektoren mit Linsenoptiken . . . . . . . . . . . 26 4 Abbilden mit Röntgenstrahlung . . . . . . . . . . . . . . 29 4.1 Transmission von Röntgenstrahlung durch eine Probe . . . 30 4.2 Detektormittelwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.3 Absorptionskontrast . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 35 4.4 Beugung und Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.5 Korrelation und wechselseitige Intensität . . . . . . . 38 4.6 Das Theorem von Van Cittert und Zernike . . . . . . . . 41 4.7 Projektionsabbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.8 Das Röntgenmikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5 Hochauflösende Röntgenkamera . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.1 Anforderungen an den Detektor . . . . . . . . . . . . . 45 5.2 Szintillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5.3 Mikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.4 CCD-Kamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6 Charakterisierung des Detektors . . . . . . . . . . . . . 61 6.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 6.2 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.3 Nickel-Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.4 Goldstreifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 6.5 Mikroprozessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 6.6 Einfluss der Quellgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . 81 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Danksagung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 / With the advent of highly-brilliant third generation synchrotron radiation sources, hard x-ray full-field microscopy and hard x-ray scanning microscopy were developed and have been shown to be excellent methods for scientific investigations. Especially for magnified hard x-ray full-field microscopy, there is the need for two-dimensional x-ray detectors with highest demands on spatial resolution and effective dynamic range. In the course of this diploma thesis, such an area x-ray detector with high spatial resolution and large dynamic range was designed and built and then tested and characterized in experiment. The high-resolution x-ray camera consists of a visible light microscope which images the sensitive layer of a single-crystal scintillator on the CCD chip of a CCD camera. A test experiment gave evidence that the x-ray camera actually fulfills all the requirements with regard to spatial resolution, sensitivity and effective dynamic range. Originally, the detector was developed for magnified hard x-ray tomography, but in addition, it is applied for alignment purposes of nanofocusing refractive x-ray lenses in a hard x-ray scanning microscope.:1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Das Erzeugen von Röntgenstrahlung . . . . . . . . . . . . 3 2.1 Röntgenröhren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.2 Synchrotronstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3 Sonstige Röntgenquellen . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3 Röntgendetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.1 Gasionisationsdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.2 Halbleiterdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.3 Szintillationsdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.4 Röntgenfilme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.5 Bildplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.6 CCD-Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.6.1 Funktionsweise eines CCD-Chips . . . . . . . . . . . . 20 3.6.2 Direkte CCD-Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.6.3 CCD-Detektoren mit Faseroptiken . . . . . . . . . . . 25 3.6.4 CCD-Detektoren mit Linsenoptiken . . . . . . . . . . . 26 4 Abbilden mit Röntgenstrahlung . . . . . . . . . . . . . . 29 4.1 Transmission von Röntgenstrahlung durch eine Probe . . . 30 4.2 Detektormittelwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.3 Absorptionskontrast . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 35 4.4 Beugung und Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.5 Korrelation und wechselseitige Intensität . . . . . . . 38 4.6 Das Theorem von Van Cittert und Zernike . . . . . . . . 41 4.7 Projektionsabbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.8 Das Röntgenmikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5 Hochauflösende Röntgenkamera . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.1 Anforderungen an den Detektor . . . . . . . . . . . . . 45 5.2 Szintillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5.3 Mikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.4 CCD-Kamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6 Charakterisierung des Detektors . . . . . . . . . . . . . 61 6.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 6.2 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.3 Nickel-Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.4 Goldstreifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 6.5 Mikroprozessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 6.6 Einfluss der Quellgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . 81 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Danksagung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Near-field optical microscopy allows the nondestructive examination of surfaces with a spatial resolution far below the diffraction limit of Abbe. In fact, the resolution of this kind of microscope is not at all dependent on the wavelength, but is typically in the range of 10 to 100 nanometers. On this scale, many materials are anisotropic, even though they might appear isotropic on the macroscopic length scale. In the present work, the previously never studied interaction between a scattering-type near-field probe and an anisotropic sample is examined theoretically as well as experimentally. In the theoretical part of the work, the analytical dipole model, which is well known for isotropic samples, is extended to anisotropic samples. On isotropic samples one observes an optical contrast between different materials, whereas on anisotropic samples one expects an additional contrast between areas with different orientations of the same dielectric tensor. The calculations show that this anisotropy contrast is strong enough to be observed if the sample is excited close to a polariton resonance. The experimental setup allows the optical examination in the visible and in the infrared wavelength regimes. For the latter, a free-electron laser was used as a precisely tunable light source for resonant excitation. The basic atomic force microscope provides a unique combination of different scanning probe microscopy methods that are indispensable in order to avoid artifacts in the measurement of the near-field signal and the resulting anisotropy contrast. Basic studies of the anisotropy contrast were performed on the ferroelectric single crystals barium titanate and lithium niobate. On lithium niobate, we examined the spectral dependence of the near-field signal close to the phonon resonance of the sample as well as its dependence on the tip-sample distance, the polarization of the incident light, and the orientation of the sample. On barium titanate, analogous measurements were performed and, additionally, areas with different types of domains were imaged and the near-field optical contrast due to the anisotropy of the sample was directly measured. The experimental results of the work agree with the theoretical predictions. A near-field optical contrast due to the anisotropy of the sample can be measured and allows areas with different orientations of the dielectric tensor to be distinguished optically. The contrast results from variations of the dielectric tensor components both parallel and perpendicular to the sample surface. The presented method allows the optical examination of anisotropies of a sample with ultrahigh resolution, and promises applications in many fields of research, such as materials science, information technology, biology, and nanooptics. / Die optische Nahfeldmikroskopie ermöglicht die zerstörungsfreie optische Unter- suchung von Oberflächen mit einer räumlichen Auflösung weit unterhalb des klas- sischen Beugungslimits von Abbe. Die Auflösung dieser Art von Mikroskopie ist unabhängig von der verwendeten Wellenlänge und liegt typischerweise im Bereich von 10-100 Nanometern. Auf dieser Längenskala zeigen viele Materialien optisch anisotropes Verhalten, auch wenn sie makroskopisch isotrop erscheinen. In der vorliegenden Arbeit wird die bisher noch nicht bestimmte Wechselwirkung einer streuenden Nahfeldsonde mit einer anisotropen Probe sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Im theoretischen Teil wird das für isotrope Proben bekannte analytische Dipol- modell auf anisotrope Materialien erweitert. Während fÄur isotrope Proben ein reiner Materialkontrast beobachtet wird, ist auf anisotropen Proben zusätzlich ein Kontrast zwischen Bereichen mit unterschiedlicher Orientierung des Dielektrizitätstensors zu erwarten. Die Berechnungen zeigen, dass dieser Anisotropiekontrast messbar ist, wenn die Probe nahe einer Polaritonresonanz angeregt wird. Der verwendete experimentelle Aufbau ermöglicht die optische Untersuchung von Materialien im sichtbaren sowie im infraroten Wellenlängenbereich, wobei zur re- sonanten Anregung ein Freie-Elektronen-Laser verwendet wurde. Das dem Nahfeld- mikroskop zugrunde liegende Rasterkraftmikroskop bietet eine einzigartige Kombi- nation verschiedener Rastersondenmikroskopie-Methoden und ermöglicht neben der Untersuchung von komplementären Probeneigenschaften auch die Unterdrückung von mechanisch und elektrisch induzierten Fehlkontrasten im optischen Signal. An den ferroelektrischen Einkristallen Lithiumniobat und Bariumtitanat wurde der anisotrope Nahfeldkontrast im infraroten WellenlÄangenbereich untersucht. An eindomÄanigem Lithiumniobat wurden das spektrale Verhalten des Nahfeldsignals sowie dessen charakteristische Abhängigkeit von Polarisation, Abstand und Proben- orientierung grundlegend untersucht. Auf Bariumtitanat, einem mehrdomänigen Kristall, wurden analoge Messungen durchgeführt und zusätzlich Gebiete mit ver- schiedenen Domänensorten abgebildet, wobei ein direkter nachfeldoptischer Kon- trast aufgrund der Anisotropie der Probe nachgewiesen werden konnte. Die experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit stimmen mit den theoretischen Vorhersagen überein. Ein durch die optische Anisotropie der Probe induzierter Nahfeldkontrast ist messbar und erlaubt die optische Unterscheidung von Gebie- ten mit unterschiedlicher Orientierung des Dielektriziätstensors, wobei eine Än- derung desselben sowohl parallel als auch senkrecht zur Probenoberfläche messbar ist. Diese Methode erlaubt die hochauflösende optische Untersuchung von lokalen Anisotropien, was in zahlreichen Gebieten der Materialwissenschaft, Speichertech- nik, Biologie und Nanooptik von Interesse ist.

Wetland sites provide important knowledge about settlement history and historical infrastructure in the form of buried archaeological features. However, the subsurface is difficult to access, e.g. due to high groundwater levels or unstable sediments, making archaeological excavation difficult and the conservation of recovered artefacts, e.g. timbers, is expensive. In addition, one of the aims of heritage conservation is to disturb structures in such contexts as little as possible as part of preserving. Therefore, alternative non- and minimal-invasive methods, e.g. geophysical prospection and vibra-coring, are used for exploration. However, geophysical surveys face the issue of inaccurate depth values and rely on sufficient contrasts in the measured physical parameters. Vibra-coring allows direct access to the sediments, but again gives inaccurate depth values due to high compaction rates. For this reason, the implementation of alternative methods and the development of new methodical approaches to wetland site exploration are of extraordinary importance. One such wetland site is the Fossa Carolina, an early medieval canal that today is partially buried. Located in Southern Germany next to Treuchtlingen, south of Nuremberg, the canal was intended at the time to provide a navigable link between the Rhine-Main and Danube basins by bridging the European watershed. In the research for this thesis, direct push sensing was used as an alternative exploration technique to explore the site. In this method, various probes are pushed into the unconsolidated subsoil and the parameters are measured in situ with high depth accuracy. (i) Therefore, the colour logging tool (CLT) and the electrical conductivity (EC) probe were applied. (ii) In order to record archaeological structures and features, the soundings were distributed closely along a transect using an adaptive exploration strategy, thus recording a high-resolution cross-section of the structure. (iii) These prospections were integrated into a spatial-hierarchical multi-method approach by combining direct push sensing with geophysical survey and vibra-coring, inter alia. (iv) Thus, a deeply buried section of the Fossa Carolina (West-East Section) was explored, demonstrating at least one-way navigability and revealing the backfill stratigraphy. (v) Furthermore, the approach used helped to clarify the nature of conspicuous magnetic anomalies in the area adjacent to the canal. In the Northern and North-Eastern Sections, magnetic anomalies provided evidence of water-supplying structures. The exploration of these structures revealed an Early Holocene structure in the North-Eastern Section and a historic gravel road in the Northern Section. (vi) Additionally, a strong magnetic anomaly with a course parallel to the canal in the Northern Section could be temporally and stratigraphically associated with the construction of the canal. Thus, for the first time, a larger remnant of the construction process outside the canal could be identified, even if the origin could not be conclusively clarified. (vii) In a broader context, the in situ direct push cross-sections were integrated into a 3D modelling approach for the entire Fossa Carolina to quantify the excavation volume. (viii) The methodological approach was successfully applied to a wetland site at Pestenacker in Southern Germany to collect evidence for Holocene floodplain dynamics in the Late Neolithic settlement. Finally, the thesis demonstrates the enormous methodological potential of direct push sensing for the exploration of buried archaeological sites. In particular, the colour logging tool is proving to be extremely effective, further enhanced by the intelligent combination in multi-method approaches. This is confirmed by the significant results obtained at Fossa Carolina that shed new light on the canal{'}s navigability, water supply, and construction structure. Overall, this thesis demonstrates the valuable contribution that direct push methods can make to geoarchaeological research. It both introduces a new methodological approach and provides new empirical evidence concerning the construction of an example of early medieval infrastructure.:Preface Acknowledgements Abstract Kurzfassung Contents List of Figures List of Tables Acronyms and Symbols 1 Introduction 1.1 Geoarchaeological exploration in wetlands: possibilities and challenges 1.1.1 Proven exploration methods 1.1.2 Direct push sensing 1.1.3 Exploration strategies 1.2 The study site 1.2.1 The Fossa Carolina - State of the art in brief 1.2.2 Natural settings 1.3 Aims of the thesis 2 Published Studies 2.1 Minimalinvasive Direct-push-Erkundung in der Feuchtboden(geo)archäologie am Beispiel des Karlsgrabens (Fossa Carolina) 2.2 Non-invasive prospection techniques and direct push sensing as high-resolution validation tools in wetland geoarchaeology – Artificial water supply at a Carolingian canal in South Germany? 2.3 High-Resolution Direct Push Sensing in Wetland Geoarchaeology—First Traces of Off-Site Construction Activities at the Fossa Carolina 2.4 3D-Modelling of Charlemagne’s Summit Canal (Southern Germany)—Merging Remote Sensing and Geoarchaeological Subsurface Data 2.5 A hydrological tipping point and onset of Neolithic wetland occupation in Pestenacker (Lech catchment, S Germany) 3 Discussion 3.1 Direct push sensing for wetland exploration 3.1.1 High-resolution direct push sensing cross-sections 3.1.2 Integration and comparison of direct push sensing in a spatially hierarchical multi-method approach 3.1.3 Direct push colour logging tool (CLT) data for ground truthing 3.1.4 Perspectives on direct push sensing in geoarchaeology 3.2 Results of the exploration of the Fossa Carolina 3.2.1 Chronostratigraphic recording in the West-East and Northern Sections 3.2.2 Characteristics of the canal construction in the West-East and Northern Sections 3.2.3 Validation of off-canal structures in the Northern and North-Eastern Sections 3.2.4 Water supply for the Fossa Carolina 3.2.5 Pending issues in the study of the Fossa Carolina 4 Conclusion References Appendix A1 - Author publications A2 - Article contribution A3 - Declaration of originality A4 - Bibliographic description / Feuchtgebiete bergen durch begrabene archäologische Strukturen wichtige Erkenntnisse zur Siedlungsgeschichte und historischen Infrastruktur. Schwierige Untergrundverhältnisse, z. B. durch hohen Grundwasserspiegel oder instabile Sedimente, erschweren jedoch archäologische Ausgrabungen und die Konservierung der geborgenen Artefakte, z. B. Hölzer, verursacht hohe Kosten. Darüber hinaus ist ein Ziel der Bodendenkmalpflege, archäologische Strukturen so wenig wie möglich zu beeinträchtigen und sie in situ zu erhalten. Daher werden alternative nicht- und minimal-invasive Methoden, z. B. geophysikalische Prospektionen und Rammkernsondierungen, zur Exploration eingesetzt. Bei geophysikalischen Untersuchungen ergeben sich jedoch Schwierigkeiten durch ungenaue Tiefenwerte und die Methoden sind auf ausreichende Kontraste der gemessenen physikalischen Parameter angewiesen. Rammkernsondierungen ermöglichen einen direkten Zugriff auf die Sedimente, erzeugen jedoch wiederum ungenaue Tiefenwerte durch hohe Kompaktionsraten. Aus diesem Grund sind die Implementierung alternativer Methoden und die Entwicklung neuer methodischer Ansätze für die Erforschung von Feuchtgebietsstandorten von herausragender Bedeutung. Die Fossa Carolina, ein frühmittelalterlicher, heute teilweise verschütteter Kanal, ist ein solcher Standort. Das Bauwerk befindet sich in Süddeutschland in der Nähe von Treuchtlingen, südlich von Nürnberg und sollte eine schiffbare Verbindung zwischen dem Rhein-Main- und dem Donaueinzugsgebiet herstellen, indem es die europäische Hauptwasserscheide überbrückte. Zur Erkundung des Bauwerks wurde als Alternative die in situ Direct-Push-Methode eingesetzt. Bei dieser Methode werden verschiedene Sonden in den unkonsolidierten Untergrund gedrückt und die Parameter in situ tiefengenau gemessen. (i) Dabei kamen die Farbsonde, engl. colour logging tool (CLT), und die Sonde zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit, engl. electrical conductivity (EC) probe, zum Einsatz. (ii) Zur Erfassung archäologischer Strukturen und Befunde wurden die Sondierungen mit einer adaptiven Erkundungsstrategie auf einem Transekt engmaschig verteilt und somit ein hochaufgelöster Querschnitt des Bauwerks erfasst. (iii) Darüber hinaus wurden diese Prospektionen in einen räumlich-hierarchischen Multimethodenansatz integriert, indem in situ Direct-Push-Sondierungen mit z. B. geophysikalischen Erkundungen und Rammkernsondierungen kombiniert wurden. Somit wurde (iv) ein tiefliegender, begrabener Abschnitt der Fossa Carolina im West-Ost-Bereich erkundet, dort die Schiffbarkeit für mindestens eine Schiffsbreite nachgewiesen und die Sedimentstratigraphie der Verfüllung beschrieben. Weiterhin wurde der Ansatz genutzt, um magnetische Anomalien im Umfeld des Kanals zu prospektieren. (v) Im nördlichen und nordöstlichen Bereich lieferten magnetische Anomalien Hinweise auf wasserzuführende Bauwerke im Untergrund. Die Erkundung ergab eine frühholozäne Struktur im nordöstlichen Bereich und eine historische Schotterstraße im nördlichen Bereich. (vi) Weiterhin konnte eine starke magnetische Anomalie mit parallelem Verlauf zum Kanal im nördlichen Bereich zeitlich und stratigraphisch dem Bauwerk zugeordnet werden. Somit konnte zum ersten Mal eine größere Spur des Baus außerhalb des Kanals nachgewiesen werden, auch wenn die Entstehung nicht abschließend geklärt werden konnte. (vii) Im übergeordneten Kontext konnten die Daten der in situ Direct-Push-Transekte in einen 3D-Modellierungsansatz für die gesamte Fossa Carolina zur Quantifizierung des Aushubs integriert werden. (viii) Neben der Erforschung der Fossa Carolina wurde der methodische Ansatz zusätzlich an einem Feuchtgebietsstandort bei Pestenacker in Süddeutschland angewendet, um Informationen über die holozäne Auendynamik an der spätneolithischen Siedlung zu gewinnen. Schlussendlich belegt die Dissertation das enorme methodische Potential der in situ Direct-Push-Erkundungen für die Prospektion von Bodendenkmälern. Dabei erweist sich insbesondere die Farbsonde als äußerst wirkungsvoll, was durch die gezielte Kombination in multi-methodischen Ansätzen noch verstärkt wird. Dies wird durch die aussagekräftigen Ergebnisse an der Fossa Carolina belegt, mit deren Hilfe insbesondere neue Erkenntnisse zur Schiffbarkeit, Wasserzuführung und Baustruktur gewonnen werden konnten. Insgesamt demonstriert diese Dissertation den wertvollen Beitrag, den in situ Direct-Push-Methoden zur geoarchäologischen Forschung leisten können. Sie präsentiert sowohl einen neuen methodischen Ansatz als auch neue empirische Erkenntnisse zu einem frühmittelalterlichen Bauwerk.:Preface Acknowledgements Abstract Kurzfassung Contents List of Figures List of Tables Acronyms and Symbols 1 Introduction 1.1 Geoarchaeological exploration in wetlands: possibilities and challenges 1.1.1 Proven exploration methods 1.1.2 Direct push sensing 1.1.3 Exploration strategies 1.2 The study site 1.2.1 The Fossa Carolina - State of the art in brief 1.2.2 Natural settings 1.3 Aims of the thesis 2 Published Studies 2.1 Minimalinvasive Direct-push-Erkundung in der Feuchtboden(geo)archäologie am Beispiel des Karlsgrabens (Fossa Carolina) 2.2 Non-invasive prospection techniques and direct push sensing as high-resolution validation tools in wetland geoarchaeology – Artificial water supply at a Carolingian canal in South Germany? 2.3 High-Resolution Direct Push Sensing in Wetland Geoarchaeology—First Traces of Off-Site Construction Activities at the Fossa Carolina 2.4 3D-Modelling of Charlemagne’s Summit Canal (Southern Germany)—Merging Remote Sensing and Geoarchaeological Subsurface Data 2.5 A hydrological tipping point and onset of Neolithic wetland occupation in Pestenacker (Lech catchment, S Germany) 3 Discussion 3.1 Direct push sensing for wetland exploration 3.1.1 High-resolution direct push sensing cross-sections 3.1.2 Integration and comparison of direct push sensing in a spatially hierarchical multi-method approach 3.1.3 Direct push colour logging tool (CLT) data for ground truthing 3.1.4 Perspectives on direct push sensing in geoarchaeology 3.2 Results of the exploration of the Fossa Carolina 3.2.1 Chronostratigraphic recording in the West-East and Northern Sections 3.2.2 Characteristics of the canal construction in the West-East and Northern Sections 3.2.3 Validation of off-canal structures in the Northern and North-Eastern Sections 3.2.4 Water supply for the Fossa Carolina 3.2.5 Pending issues in the study of the Fossa Carolina 4 Conclusion References Appendix A1 - Author publications A2 - Article contribution A3 - Declaration of originality A4 - Bibliographic description

Mit dieser Arbeit ist es erstmalig gelungen, funktionelle MRT und Dipol-Quellenlokalisation in einer Weise zu kombinieren, die es erlaubt, ein und dieselbe kortikale Aktivität simultan mit beiden Verfahren zu erfassen. Insbesondere wurde dies durch (a) Korrektur eines vom Tomographen induzierten Artefaks in den EKPs und (b) durch eine deutliche Verbesserung des experimentellen Designs, und damit einer wesentlich effektiveren Nutzung von EEG und fMRT-Messzeit erreicht. So wurde es dadurch möglich, mit beiden Methoden die kortikale Aktivität einer Einzelpulsstimulation noch aufzulösen. Eine wesentliche Voraussetzung für die simultane Kombination beider Verfahren: Aufgrund der sehr verschiedenen Latenzen von elektrophysiologischer (< 1ms) und vaskulärer (SII->ant. Inseln und medialeWand) in Übereinstimmung mit der Literatur (Forss et al., 1996; Mauguiere et al., 1997b) blieb. So ergab die Quellenlokalisation für die Wahlreaktionsaufgabe fünf Dipole innerhalb des Gehirns, welche mittels Koregistrierung den Aktivierungen des primären somatosensorschen Kortex (20 - 140ms), des sekundären somatosensorischen Kortex (50 - 150ms), der beiden anterioren Inseln (80 - 140ms) und des supplementär-motorischen Region (90 - 140ms, 220 - 270ms) aus der funktionellen MRT zugeordnet wurden. Durch einen Vergleich der Aktivierungsmuster von Wahl- und Einfachreaktionsaufgabe jeweils in der Dipol-Quellenanalyse und in der funktionellen MRT konnten weitere Belege dafür gefunden werden, daß, wie in der Literatur postuliert (Romo and Salinas, 2001), der kontralaterale sekundäre somatosensorische Kortex an der Kategorisierung somatosensorischer Stimulusattribute beteiligt ist. So ergab ein Vergleich der Dipolzeitverläufe für Wahl- und Einfachreaktionsaufgabe lediglich für den Dipol im kontralateral somatosensorischen Kortex im Intervall 57-62 ms nach Stimulusapplikation einen signifikant unterschiedlichen Aktivierungsverlauf (p < 0,001). Übereinstimmend zeigte die funktionelle MRT für die Wahlreaktionsaufgabe neben einer stärkeren Aktivierung der SMA eine hochsignifikant stärkere Aktivierung im Areal des kontralateralen sekundären somatosensorischen Kortex (p-cluster < 0,001). / In this study, we have shown that it is feasible to perform dipole source analysis and fMRI based on the same neuronal activity associated with somatosensory categorization. This was possible by reduction of scanner-induced baseline artifact interfering with the ERPs as well as an optimized experimental protocol for interleaved EEG and fMRI acquisition. We consider this study to be a further step toward imaging brain activity simultaneously at high spatial and temporal resolution. Since an event-related protocol with a single brief pulse stimulation paradigm was successfully employed, this approach seems to be suitable for the investigation of cognitive tasks. By further technical improvements also the exploration of brain activity in single subjects might become possible, opening the field of clinical applications. In particular for the characterization of irregular and nonreproducible events, a substantial contribution of combined EEG–fMRI studies toward a more detailed understanding of physiological processes underlying cerebral activations is expected.