The equiatomic FeRh alloy undergoes a first-order phase transition from an antiferromagnetic (AFM) to a ferromagnetic (FM) state at about 370 K with a small thermal hysteresis of about 10 K around the phase transition. The transition is accompanied by a unit cell volume expansion about 1% in the c lattice parameter. During the transition the new phase nucleates in the matrix of the original phase by reaching the critical temperature followed by a growth in size upon increasing temperature further. Therefore, to understand the transition process with more details, it is desirable to investigate the nucleation and growth of both phases within the first order phase transition. In the present thesis the main focus is on the growth of FeRh thin films by means of Molecular Beam Epitaxy (MBE) technique and characterization of the magnetic and structural properties. To develop an understanding of the phase transformation in FeRh thin films the ways in which one can tune it were investigated. The following aspects concerning the FeRh system have been examined here: 1) influence of annealing temperature on the magnetic and structural response, 2) effect of film thickness on the first-order phase transition temperature as well as the saturation magnetization, 3) influence of chemical composition on the magnetic properties and 4) magnetic field-induced phase transition. To get insight to details of the transition process the magnetization dynamic has been addressed by performing Ferromagnetic resonance (FMR) experiment across the phase transition. FMR measurements determined the existence of two areas with different magnetic properties inside the film. A huge temperature difference for the beginning of the phase transition in comparison with the static magnetization measurement was observed for the equiatomic FeRh thin film prepared by MBE. Tuning of the AFM to FM phase transition in the FeRh thin film by means of low-energy/low fluence Ne+ ion irradiation was studied. Ion irradiation technique offers a quantitative control of the degree of chemical disorder by adjusting the ion fluence applied, while the penetration depth of the disordered phase can be adjusted by the ion-energy. The main results of ion irradiation are the shifting of the phase transition temperature to lower temperature and irradiation with 3×1014 ion/cm2 leads to the disappearance the AFM phase completely.

As a cutting-edge technology for photoinjectors, SRF guns are expected to provide CW electron beams with high bunch charge and low emittance, which is critical to the development of future FELs, ERLs and 4th/5th generation light sources. However, existing research has not explored the full potential of SRF guns as predicted by theory. Currently, the research activities at ELBE focus on solving technological challenges of a 3.5 cell SRF gun as well as applying it to high-bunch-charge experiments. This thesis aims to optimize the ELBE SRF gun and the relevant beam transport for future high-bunch-charge applications at pELBE, nELBE, TELBE and CBS experimental stations. Chapter 1 describes the demands of these applications on the SRF gun in detail. Chapter 2 outlines the development of a simulation tool based on ASTRA and Elegant, followed by the optimized gun parameters and the beam transport for the four experimental stations. Chapter 3 introduces beam diagnostic methods and data processing applied in this thesis. Chapter 4 presents results of experiments, including the pulse length measurement of the UV laser for generating electrons from the photcathode, the commissioning of ELBE SRF Gun II, a verification experiment on the LSC effect conducted at PITZ and a beam transport experiment with the bunch charge of 200 pC. Simulation results have determined the effect of each SRF gun parameter on the beam quality and have provided optimized settings according to the requirements in Chapter 1. Experimentally, the LSC effect was confirmed at PITZ, in agreement with simulations which indicated that LSC significantly influences beam quality. The performance of ELBE SRF Gun II was improved and a beam with a bunch charge of 200 pC and an emittance of 7.7 μm from ELBE SRF Gun II has been transported through ELBE without visible beam loss. The development of the simulation tool and beam diagnostics will serve further research at ELBE. Results of both simulations and experiments enrich the understanding of the existing SRF gun as well as the ELBE beamline and will guide continuing improvements. Already, ELBE SRF Gun II can deliver twice the bunch charge and lower emittance compared to the thermionic injector routinely used for ELBE. Ongoing modifications and development of the gun-cavity and photocathodes are expected to provide still further improvements. Progress on high-bunch-charge experiments at ELBE can be expected by applying the SRF gun.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Modifizierung von Beschichtungen auf Basis von diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC). Die Modifizierung erfolgte mittels Elektronenstrahl (eBeam) und sollte der Oberflächenfunktionalisierung durch die Steuerung der Zelladhäsion dienen. Das Anwendungsfeld der modifizierten DLC-Schichten findet sich im biomedizinischen Bereich. Als Anwendungsbeispiel wurden Aktoren aus Formgedächtnislegierung (FGL) herangezogen. Diese sollen in Hüftendoprothesen genutzt werden. Ihre Aufgabe ist es, bei Implantatlockerung eine Wiederverankerung im Knochen, ohne äußeren Eingriff zu ermöglichen. Die Aktoren stellen an eine Beschichtung besondere Herausforderungen hinsichtlich Schichtstabilität und -flexibilität, Zelladhäsion sowie Barrierefunktion. Im Folgenden werden die untersuchten Schwerpunkte mit Bezug auf dieses Anwendungsbeispiel zusammenfassend dargestellt. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Arbeit wurden vier Abscheidemethoden für DLC-Beschichtungen verglichen: die plasmaaktivierte chemische Gasphasenabscheidung (PA CVD), das Magnetronsputtern (PVD-Spu), und die Lichtbogenverdampfung ungefiltert und -gefiltert (PVD-Arc bzw. PVD-Arcfil). Aus diesen Abscheidemethoden sollte eine für das medizintechnische Einsatzgebiet geeignete Methode zur DLC-Abscheidung ausgewählt werden. Dafür wurden folgende Kriterien untersucht: Schichtmorphologie und stabilität, Biokompatibilität und die Möglichkeit zur Modifizierung mittels eBeam. Es zeigte sich, dass mittels Magnetronsputtern homogene DLC-Schichten abgeschieden werden können. Diese Beschichtungen zeigen im Vergleich zu den Beschichtungen der anderen Abscheideverfahren die beste Biokompatibilität. Die Modifizierung der Schichten mittels eBeam ermöglicht eine gezielte Verringerung der Zelladhäsion auf den Oberflächen, ohne zelltoxische Nebenwirkungen. Mit diesem Resultat wird die ausgewählte Beschichtung den Funktionsansprüchen des Anwendungsbeispiels gerecht. Als Anwendungsbeispiel wurden Aktoren einer intelligenten Hüftendoprothese herangezogen. Die Aktoren bestehen aus FGL-Material und sollen im Anwendungsfall eine intrakorporale Verformung durchführen. Die DLC-Beschichtung soll den Austritt von toxischen Nickelionen aus diesem Material verringern. Daher ist die Stabilität der DLC-Schichten auf den Aktoren für den zielgerechten Einsatz von grundlegender Bedeutung. Die Formflexibilität von DLC-Schichten ist aus der Literatur bekannt, womit sie eine geeignete Barrierebeschichtung für verformbare Bauteile darstellen, ohne dabei die Funktion des Substratmaterials zu beeinträchtigen. Grundlage für diese Formflexibilität stellen eine gute Schichthaftung und Langzeitstabilität dar. Auch an dieser Stelle zeigten die mittels Magnetronsputtern abgeschiedenen DLC-Schichten sehr gute Ergebnisse. Selbst die Beanspruchung durch wiederholte Desinfektion und Sterilisation führte bei dieser Beschichtung zu keiner Veränderung. Im Anwendungsbeispiel Hüftendoprothese kann es an der Implantat-Knochen-Schnittstelle zu Mikrobewegungen kommen. Durch die im Vergleich zu den anderen Beschichtungen sehr guten Ergebnisse der PVD-Spu-Schichten bei der tribologischen Charakterisierung, stellen diese Schichten eine für das Anwendungsbeispiel geeignete Beschichtung dar. Ein geringer Reibwert gewährleistet dabei eine ungestörte Gewebsintegration. Das Magnetronsputtern wurde basierend auf diesen Ergebnissen als geeignete Abscheidemethode für die DLC-Beschichtung von Implantatmaterialien ausgewählt. Im zweiten Abschnitt der Arbeit wurden die Modifizierung der Beschichtung, die Reaktion im biologischen Kontakt und die Barrierefunktion der Schichten bewertet. Durch die eBeam-Modifizierung der DLC-Beschichtung wird eine Hydrophilierung erzielt, die mit einer signifikanten Verringerung der Zellzahl auf der Oberfläche verbunden ist. Nach Beurteilung der Schichtmorphologie von unbehandelten und modifizierten DLC-Oberflächen konnte ausgeschlossen werden, dass die Hydrophilierung auf Veränderungen der Oberflächenmorphologie zurück zu führen ist. Vielmehr wurden chemisch-energetische Veränderungen als Ursache identifiziert, wobei die indirekte eBeam-Wirkung während der Modifizierung zum Tragen kommt. Die Intensität der Hydrophilierung ist dosisabhängig und zeigt eine Art Sättigungsverhalten ab 500 kGy. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Modifizierung der Anteil stickstoff- und sauerstoffhaltiger Funktionalitäten auf der DLC-Oberfläche zunimmt. Die Verringerung der Zellzahl, welche ebenfalls eine Art Sättigung bei 500 kGy zeigt, steht über die Proteinadhäsion mit diesen Veränderungen in direktem Zusammenhang. In Korrelation mit der Literatur scheint es durch die Zunahme der sauerstoffhaltigen Funktionalitäten zu einer veränderten Proteinadhäsion zu kommen. Dabei wird die Proteinkonformation verändert, was die anschließende Zelladhäsion verringert. Mittels eBeam können sehr feine Strukturen bis in den Mikrometerbereich modifiziert werden, was bedeutet, dass damit die Zelladhäsion in den aneinander angrenzenden Bereichen des Aktors gezielt eingestellt werden kann. Damit wird die DLC-Beschichtung mit dieser Modifizierung den Funktionsansprüchen des Aktorbauteiles gerecht. Die Analyse der Langzeitstabilität zeigte, dass die Modifizierung sowohl an Luft als auch in phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) über einen Zeitraum von mindestens zwei Monaten stabil ist. Somit kann für das Anwendungsbeispiel die Modifizierung bereits langfristig vor dem Einsatz eines Implantates erfolgen. Bisher wurden derartige Modifizierungen hauptsächlich mittels Plasmabehandlung durchgeführt. Im Gegensatz zur vorliegenden Arbeit können damit jedoch keine zeitlich stabilen Effekte erzielt werden. Weitere Nachteile der Plasmamethoden ergeben sich durch Materialveränderungen und verhältnismäßig lange Prozesszeiten. Weiterhin wird laut Literatur bei der Plasmabehandlung von DLC-Oberflächen eine Steigerung der Zelladhäsion erzielt. In der vorliegenden Arbeit besteht das Ziel jedoch in der Verringerung der Zelladhäsion, wodurch sich auch unter diesem Aspekt die eBeam-Modifizierung gegenüber der Plasmamodifizierung als vorteilhaft erweist. Zusätzlich wurde neben der Langzeitstabilität für die eBeam-modifizierten DLC-Beschichtungen auch eine Stabilität gegenüber chemisch-mechanischer Reinigung mit anschließender Dampfsterilisation belegt. Da jedoch die FGL-Aktoren im Anwendungsbeispiel durch thermischen Energieeintrag aktiviert werden, könnte die herkömmliche Anwendung der Dampfsterilisation ein Problem darstellen. Auch dafür bietet die eBeam-Behandlung als alternative Sterilisationsmethode einen Lösungsansatz. Mit einer Sterilisationsdosis von lediglich 25 kGy ist die Anwendung des eBeams sowohl zur Sterilisation von unbehandelten als auch modifizierten DLC-Oberflächen möglich, ohne deren Eigenschaften oder die des beschichteten Substrates zu beeinflussen. Die eBeam-Modifizierung der DLC-Oberflächen bietet basierend auf den vorliegenden Ergebnissen eine Möglichkeit zur Steuerung der Zelladhäsion, da in den modifizierten Bereichen eine signifikante Verringerung der Zellzahl erzielt wird. Eine Verringerung der Zellzahl ist für die beweglichen Bereiche der FGL-Aktoren besonders wichtig, um deren Funktion zu gewährleisten (s. Abbildung 1). Für die modifizierten Schichten werden dabei keine Beeinträchtigung der Zellvitalität oder Veränderungen der Phasen des Zellzyklus festgestellt. Weiterhin ist belegt, dass von diesen Beschichtungen kein erhöhtes Entzündungspotential ausgeht, was den uneingeschränkten Einsatz der modifizierten DLC-Beschichtungen im biomedizinischen Bereich ermöglicht. Die unbehandelten DLC-Oberflächen hingegen sollen im Anwendungsbeispiel eine schnelle Implantatintegration gewährleisten. Auch diesem Anspruch wird die Beschichtung gerecht, da die osteogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen auf diesen Oberflächen uneingeschränkt verläuft. Die Analyse des Calciumgehaltes als späten Differenzierungsmarker lässt sogar auf einen stimulierenden Effekt durch die Schichten schließen. Folglich kann für den Anwendungsfall der Hüftendoprothese eine beschleunigte Osseointegration erwartet werden. Die größte Herausforderung für die DLC-Beschichtungen bestand in der Verringerung des Nickelaustrittes aus dem FGL-Material. Die Ergebnisse der Extraktionsversuche belegen, dass aus unbeschichteten FGL Nickelionen austreten und die Stoffwechselaktivität von Osteoblasten beeinflussen. Auf DLC-beschichteten Proben hingegen kann kein messbarer Austritt von Nickelionen festgestellt werden. Im Direktkontakt mit humanen Osteoblasten zeigt sich auf den unbeschichteten FGL eine unnatürliche Zellmorphologie, was auf den Nickelaustritt zurückgeführt werden kann. Dahingegen erscheinen die Zellen auf den DLC-beschichteten Oberflächen in vitaler Morphologie. Diese Ergebnisse demonstrieren die Wirksamkeit der DLC-Beschichtung als Barriere gegenüber dem Austritt von Nickelionen. Zusammenfassend wird festgestellt, dass das Magnetronsputtern die Abscheidung von DLC-Schichten ermöglicht, die dem Anwendungsbeispiel Hüftendoprothese mit FGL-Aktor sowohl hinsichtlich Barrierefunktion als auch Biokompatibilität gerecht werden. Die Modifizierung mittels eBeam gewährleistet dabei die gezielte Steuerung der Zellzahl, wodurch die DLC-Beschichtungen auch die biofunktionalen Ansprüche des Anwendungsbeispiels bedienen. DLC-Beschichtungen weisen aufgrund ihrer großen Variabilität hinsichtlich Materialeigenschaften und der sehr guten Biokompatibilität ein breites Spektrum für biomedizinische Anwendungen auf. Die eBeam-Modifizierung der Beschichtungen eröffnet aufgrund ihrer Langzeitstabilität darüber hinaus weitere Einsatzfelder. Vor allem die Option einer partiellen Oberflächenmodifizierung ermöglicht es, variierenden Funktionsansprüchen zahlreicher Anwendungen gerecht zu werden und die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnen Erkenntnisse auf weitere Einsatzfelder zu übertragen.

The rapid growth of the microelectronics industry in the last decades made it possible to produce structures in the sub-micrometer scale on silicon chips and to reach an integration scale under 100 nm. Decreasing the size and increasing the complexity of these structures make a control of quality and defects investigation more difficult. During a long time ultrasound devices are being used for nondestructive investigation of materials, like ultrasound microscopes, scanning photo-acoustic microscopes or scanning electron-acoustic microscopes, where acoustic waves are generated by acoustic transducers, focused laser or electron beams, respectively. The aim of this work is to investigate more precisely the acoustic wave generation by pulsed and periodically modulated ion beams in different solid materials depending on the beam parameters and to demonstrate the possibility to apply an intensity modulated focused ion beam (FIB) for acoustic emission and for nondestructive investigation of the internal structure of materials on a microscopic scale. The combination of a FIB and an ultrasound microscope in one device can provide the opportunity of nondestructive investigation, production and modification of micro- and nanostructures simultaneously. The FIB spot size in modern systems is comparable with that of a focused electron beam and the penetration depth of ions with energy of 20-60 keV is lower than 100 nm. This makes it possible to reach a sub-micrometer resolution of a scanning ion acoustic microscope. On the other hand side a FIB with energy of 20-60 keV is a good tool which can be used for the fabrication of nanostructures using ion milling, implantation or ion beam assisted deposition techniques. The bulk ultrasound emission in a solid was investigated using a pulsed high energy ion beam focused on aluminum, copper, iron and silicon samples. Oxygen, silicon and gold ion beams were applied in charge states from 1+ to 4+ with the pulse duration of 0.5 - 4 µs and an energy of 1.5 - 10 MeV. Intensity of the detected acoustic waves shows a linear dependence on the energy of the incident ions, on the ion flux as well as on the pulse duration. No influence of the ion charge and ion mass to the emission of acoustic waves was observed. The ion acoustic effect was applied for a nondestructive material inspection using intensity modulated FIB providing by the IMSA-100 FIB system with an accelerating potential of 30-35 kV. The achieved lateral resolution of this scanning ion acoustic microscope is in the micrometer range depending on the sample material and the beam modulation frequency. The resolution can be improved by increasing the frequency. The maximal modulation frequency which was obtained at IMSA-100 is about 2 MHz corresponding to lateral resolution of 4-5 µm on silicon. Using this microscope, some images of integrated microstructures on a silicon chip were obtained using the lock-in technique for filtering of the signal from the noise and increasing of the total imaging time. The possibility to visualize near sub-surface structure was demonstrated. Due to the strong sputtering effect and the long time of irradiation the imaged structures were significantly damaged. Si2+, Ge2+, Ga+ and Au+ ions were used. All these ions are quite heavy and have high sputtering coefficients. Long-time imaging improves the quality of acoustic images, i. e. the signal-to-noise ratio is reduced with the square root from the pixel time, but leads to significant erosion of the imaged structure.

Beam dumps are installed at the experimental areas of the ELBE facility. Their purpose is to absorb the primary electron beam and the secondary radiation. The beam dump consists of a purified graphite core inside a water cooled stainless steel vessel. The radiation shield surrounding the beam dump will be designed individually for each experimental area. In this context, dose rate calculations were carried out to estimate the dose rate source term around the stainless steel vessel of the beam dump. Detailed Monte Carlo simulations were carried out using the code FLUKA. The energy dependent photon and neutron fluences and the equivalent dose rates were obtained near the surface of the cylindrical steel vessel for a beam current of 1 mA and energies of 20 MeV and 50 MeV.

The formation of Ge nanowires in V-grooves has been studied experimentally as well as theoretically. As substrate oxide covered Si V-grooves were used formed by anisotropic etching of (001)Si wafers and subsequent oxidation of their surface. Implantation of 1E17 Ge+ cm^-2 at 70 keV was carried out into the oxide layer covering the V-grooves. Ion irradiation induces shape changes of the V-grooves, which are captured in a novel continuum model of surface evolution. It describes theoretically the effects of sputtering, redeposition of sputtered atoms, and swelling. Thereby, the time evolution of the target surface is determined by a nonlinear integro-differential equation, which was solved numerically for the V-groove geometry. A very good agreement is achieved for the predicted surface shape and the shape observed in XTEM images. Surprisingly, the model predicts material (Si, O, Ge) transport into the V-groove bottom which also suggests an Ge accumulation there proven by STEM-EDX investigations. In this Ge rich bottom region, subsequent annealing in N2 atmosphere results in the formation of a nanowire by coalescence of Ge precipitates shown by XTEM images. The process of phase separation during the nanowire growth was studied by means of kinetic 3D lattice Monte-Carlo simulations. These simulations also indicate the disintegration of continuous wires into droplets mediated by thermal fluctuations. Energy considerations have identified a fragmentation threshold and a lower boundary for the droplet radii which were confirmed by the Monte Carlo simulation. The here given results indicate the possibility of achieving nanowires being several nanometers wide by further growth optimizations as well as chains of equally spaced clusters with nearly uniform diameter.

In this conceptual report the idea to establish an European Positron Source for Applied Research ("EPOS") based on new LINAC facilities in Germany (ELBE/Rossendorf or TTF-DESY/Hamburg) is considered. The report contains not only the outline of obvious applications in atomic physics, materials science and surface physics, but also several new methodical developments which are only possible with an intense positron beam. This opportunity will also allow the use and further development of imaging techniques being of special interest for industrial applications.

The Institute of Ion Beam Physics and Materials Research (IIM) is one of the six institutes of the Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD), and contributes the largest part to its Research Program \"Advanced Materials\", mainly in the fields of semiconductor physics and materials research using ion beams. The institute operates a national and international Ion Beam Center, which, in addition to its own scientific activities, makes available fast ion technologies to universities, other research institutes, and industry. Parts of its activities are also dedicated to exploit the infrared/THz free-electron laser at the 40 MeV superconducting electron accelerator ELBE for condensed matter research. For both facilities the institute holds EU grants for funding access of external users.

The Institute of Ion Beam Physics and Materials Research (IIM) is one of the six institutes of what was called Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) until the end of 2010, but since this year 2011 is called “Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)”. This change reflects a significant transition for us: it means that the research center is now member of the Helmholtz Association of German Research Centers (HGF), i.e., a real government research laboratory, with the mission to perform research to solve fundamental societal problems. Often to date those are called the “Grand Challenges” and comprise issues such as energy supply and resources, health in relation to aging population, future mobility, or the information society. This Annual Report already bears the new corporate design, adequate for the time of its issueing, but reports results from the year 2010, when we were still member of the Leibniz Association (WGL). Our research is still mainly in the fields of semiconductor physics and materials science using ion beams. The institute operates a national and international Ion Beam Center, which, in addition to its own scientific activities, makes available fast ion technologies to universities, other research institutes, and industry. Parts of its activities are also dedicated to exploit the infrared/THz freeelectron laser at the 40 MeV superconducting electron accelerator ELBE for condensed matter research. For both facilities the institute holds EU grants for funding access of external users.

Introduction Measuring the beam profile on a medical cyclo-tron in real time can aid in improved tuning of the cyclotron and give important information for a smooth operation. Typically the beam profile is measured by an autoradiography technique or even by a scintillator that can be viewed in real time [1, 2]. Another method is to use collimators in front of the target to assess the beam center-ing [3]. All these methods have potential draw-backs including; an inability to monitor the beam in real time for the radiograph, exhibiting a non-linear correlation in signal response to the power deposited for a scintillator, and not providing a 2-dimensional profile of the complete beam for collimators. Our goal was to design a realtime, linear, 2-dimensional beam-profile monitor that is able to withstand the high power of a PET cyclotron. Material and Methods The beam-profile monitor (PM) is designed for the TR13, a 13MeV negative hydrogen-ion cyclotron at TRIUMF. The design follows the concept of a ‘harp’ monitor, widely used at TRIUMF for tuning proton and radioactive ion beams, and is installed on the extraction port without separation from the tank vacuum. The TR13 monitor is designed to withstand a 13 MeV proton beam with a beam current of up to 25 µA, has an active area of 10 by 10 mm and does not affect the 10-7 torr tank vacuum. The device consists of a water-cooled Faraday cup made out of aluminium for low activation and two orthogonal rows of eight tungsten electrodes each mounted on a water-cooled support frame. Electrodes are spaced 1 mm apart from each other, see FIG. 1. The electrodes are electrically isolated from each other and each has a current pickup soldered to it. The material and the shape of the electrodes are optimized to withstand the deposited power of the proton beam. A voltage of -90 V is applied to the electrodes to repel secondary electrons and prevent crosstalk between neighbouring electrodes. The electrode current is amplified using a custom current amplifier, and read by an ADC. From there, the current data is displayed on a PC. This allows one to observe changes of the beam profile in real time. The electronics are designed to read out all sixteen channels in parallel, or, if only a limited number of ADC channels are available, to cycle through the different channels. In our current setup all sixteen channels are read out simultaneously. Results and Conclusion The beam-profile monitor provides a real-time representation of the proton beam, see FIG. 2. The data can also be recorded and analyzed at a later time. The linearity of the monitor has been measured up to 30 µA of proton beam current [4]. With the use of the monitor, it was possible to increase the output of the ion source into the target by 50% in comparison to the standard tune.