Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der kollektiven Diffusion von Wasser und Ionen in wässrigen Elektrolytlösungen. Dabei wird insbesondere die Dynamik der Wassermoleküle innerhalb der Hydratationshüllen der Ionen und der Einfluss poröser Materialien untersucht. Nach einer Einführung zur Dynamik der Hydratationshülle folgen Grundlagen der NMR-Diffusometrie, welche genutzt wurde um die Selbstdiffusionskoefifizienten der Wassermoleküle und der Ionen der Lösungen zu messen. Daraus wurden die dynamischen Hydratationszahlen der Ionen bestimmt, welche die Anzahl an Wassermolekülen angeben, die durch die Diffusion des Ions in ihrer translatorischen Bewegung beeinflusst sind. Der Einfluss poröser Materialien auf die Dynamik wird am Beispiel nanoporöser Glasmonolithe und mikroporöser Li-LSX Kristalle untersucht.

In dieser Arbeit wird die Transmission von hochgeladenen Ionen durch Nanokapillarfolien und makroskopische Glaskapillaren untersucht. Die systematische Analyse des übertragenen Ionenstrahls liefert Informationen zur Physik der Ionentransmission und hier insbesondere zum Einfluss des Anstellwinkels zwischen Kapillarachse und Richtung des einfallenden Ionenstrahls und zum Einfluss der kinetischen Energie des einfallenden Ionenstrahls auf den Transmissionsprozess. Es werden Ionenoptiken aus Nanokapillarfolien und makroskopischen Glaskapillaren konstruiert und deren Eigenschaften zur Ionenstrahlformierung untersucht. Der durch das Kapillartarget transportierte Ionenstrahl wird durch die Ausfallsrichtung μ, die Divergenz Γ, der Intensität N und des Anteils umgeladener Teilchen charakterisiert. Es wird die Abhängigkeit dieser charakteristischen Eigenschaften von der in die Kapillaren eingetragen Ladung untersucht. Weiterhin erfolgt eine exponentielle Annäherung an die Gleichgewichtswerte mit der Aufladungskonstante ρ. Die Aufladungskonstante wächst mit steigendem Anstellwinkel und steigender kinetischer Energie der einfallenden Teilchen, ist aber für alle oben genannten Eigenschaften des ausfallenden Ionenstrahls gleich. Erstmalig werden gleichzeitig alle oben genannten Eigenschaften des transportierten Ionenstrahls in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der einfallenden Teilchen untersucht. Die Energieabhängigkeit der Eigenschaften des übertragenen Ionenstrahls wird mit einer exponentiellen Annäherung an einen Grenzwert für hohe kinetische Energien beschrieben und durch den Parameter charakterisiert. Dieser ist für alle Eigenschaften des ausfallenden Ionenstrahls im Rahmen des Messfehlers gleich. Die in dieser Arbeit im Bereich von Ekin. = q · 630 eV bis Ekin. = q · 5600 eV gemessene exponentielle Abhängigkeit des Guiding-Prozesses von der kinetischen Energie unterscheidet sich von der in der Literatur zu findenden Abhängigkeit. Die Divergenz des ausfallenden Ionenstrahls wird gesondert betrachtet. Die Experimente zeigen eine größere Divergenz des ausfallenden Ionenstrahls in Ablenkrichtung als senkrecht zur Ablenkrichtung. Die Strahldivergenz senkrecht zur Ablenkrichtung steigt im untersuchten Energiebereich mit steigendem Anstellwinkel. In Ablenkrichtung wird in Abhängigkeit von der kinetischen Energie eine unterschiedliche Abhängigkeit der Divergenz vom Anstellwinkel gemessen. Das Verhalten wird unter Berücksichtigung des Guiding-Modells diskutiert. Untersuchungen hinsichtlich einer möglichen technischen Anwendbarkeit des Guiding-Prozesses führen zu differenzierten Ergebnissen. Die Messungen mittels einer aus einer Nanokapillarfolie geformten Linse zeigen ein geringes technischen Potenzial, da die Fokussierung des einfallenden Strahls durch die Divergenz des ausfallenden Ionenstrahls kompensiert wird. Im Gegensatz dazu zeigt die Verwendung einer makroskopischen Glaskapillare ein großes Anwendungspotenzial. Die Ionenstromdichte des einfallenden Ionenstrahls konnte mit einer konischen Glaskapillare um den Faktor 8 erhöht werden. Durch die Realisierung eines Potenzialunterschieds zwischen dem Ein- und Ausgang einer makroskopischen Kapillare wird ein Ionenstrahl innerhalb der Kapillare abgebremst. Es wird gezeigt, dass der Guiding-Effekt die Aufweitung des Ionenstrahls während der Abbremsung effektiv verhindert. Dies ermöglicht die Konstruktion einer kompakten Ionenabbremseinheit.

Die wachsende Weltbevölkerung und die stetigen Entwicklungen in der Industrie benötigen einerseits immer größere Mengen an Grundchemikalien und führen andererseits zu einem ständig steigenden Energiebedarf. Die Dissertation behandelt daher die Themen Zeolithe und Kathodenmaterialien, welche zwei aktuelle Forschungsschwerpunkte der chemischen Industrie darstellen. Der Fokus der Arbeit lag in der Steuerung der Partikelgröße durch die hydrothermale und mikrowellenunterstützte Kristallisation.

In this work, 22-pole ion trap machines have been applied to investigate protonated water clusters H+(H2O)n (n=4..10) and ionic hydrocarbons CHn+ (n=2..5) at low temperatures. Protonated water clusters H+(H2O)n play an important role in atmospheric chemistry and in interstellar space. The Taipei 22-pole ion trap machine has been applied to kinetic and spectroscopic investigations of these clusters produced from a supersonic expansion in a corona discharge source. Using low-pressure He buffer gas for collisional thermalization, refrigeration of the ion trap by liquid nitrogen allows a good control of the cluster temperature over the range 80K-350K. This method provides an accurate means of determining the dissociation energies of the cluster ions by measuring their dissociation rates as a function of temperature and calculating their internal energies from vibrational frequencies provided by density functional theory. Results of the thermochemical measurements at well-defined cluster temperatures have been given for H+(H2O)n, n=4..10. The feasibility of using the ion trap to acquire temperature-dependent infrared spectra is presented. The deuteration and abstraction reactions of small ionic hydrocarbons CHn+ (n=2..5) with H2, HD and D2 and the subsequent association processes have been explored at temperatures down to 15K in the Chemnitz 22-pole apparatus. The reactions of the investigated ionic species and their isotopic variants are important for understanding ion-molecule processes in the interstellar medium. One of the starting points of the research program was the question whether protonated methane, CH5+, is subject to H-D-exchange in collisions with HD at low temperatures. It turns out that the rate coefficient for this deuteration process is very small, whereas CH3+ deuterates with HD by three subsequent fast exchange reactions to CD3+ at a temperature of 15K. The latter process is very efficient and happens close to the collision limit. The methane cation, CH4+, on the other hand, shows also some interesting features in collisions with H2, HD and D2. It exhibits an inverse temperature dependence with the rate coefficient increasing at least one order of magnitude going from 300K to 15K. Furthermore, reacting with HD at the temperature of 15K, the reaction channel leading to CH5+ is preferred over the D-atom abstraction channel (isotope effect). / Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Apparaturen mit 22-Pol-Ionenfallen benutzt, um protonierte Wassercluster H+(H2O)n (n=4..10) und kleine ionische Kohlenwasserstoffe CHn+ (n=2..5) bei tiefen Temperaturen zu untersuchen. Die in einer Koronaentladungsquelle erzeugten Cluster H+(H2O)n wurden kinetisch und spektroskopisch untersucht. Dazu wurden sie in einem 22-Pol-Speicher mithilfe eines He-Puffergases auf einer Temperatur zwischen 80K und 350K thermalisiert. Die Bestimmung der Bindungsenergien fuer Cluster der Groesse n=4..10 wird ermoeglicht durch die Messung der temperaturabhaengigen Dissoziationsraten und durch die Ermittlung der inneren Energien mittels berechneter Schwingungsfrequenzen. Temperaturabhaengige IR-Spektren im Bereich der freien OH-Streckschwingung wurden aufgenommen. Die Austausch- und Abstreifreaktionen von ionischen Kohlenwasserstoffen CHn+ (n=2..5) mit H2, HD und D2 und die darauffolgenden Assoziationsprozesse wurden im Temperaturbereich 15K bis 300K untersucht. Es stellt sich z.B. heraus, dass der H-D-Austauschprozess zwischen CH5+ und HD bei 15K sehr langsam ist, wogegen CH3+ mit jeder Kollision einen Austausch ausfuehrt. In der Abstreifreaktion von CH4+ mit Wasserstoffmolekuelen beobachtet man eine inverse Temperaturabhaengigkeit. Dies wird vorlaeufig mit einer laengeren Komplexlebensdauer bei tiefen Temperaturen erklaert.

Diese Dissertation befasst sich mit den Plasmaeigenschaften und dem Schichtbildungsprozess bei der Titanoxidbeschichtung mit dem reaktiven Puls-Magnetron-Sputterverfahren. Insbesondere werden die Vorgänge, die zu einer vermehrt oder vermindert starken Kristallinität und photokatalytischen Aktivität der Schichten führen, untersucht und die Verflechtungen mit den Beschichtungsbedingungen analysiert. Es werden Untersuchungen zur Messung der sich während der Beschichtung einstellenden Substrattemperatur, zur Messung des auf das Substrat einfallenden integralen Ionenstroms sowie zur Energieverteilung positiver und negativer Ionen vorgestellt. Zu den wichtigsten Erkenntnissen dieser Untersuchungen zählt, dass bei Nutzung des Pulspaket- bzw. des Bipolar-Pulsmodus bei Rechteck-Magnetrons eine um etwa Faktor zwei stärkere Substraterwärmung auftritt als bei Nutzung des Unipolar-Pulsmodus. Das ist auf einen höheren Ionenstrom auf das Substrat bei gleichzeitig höherer Selbstbiasspannung zurückzuführen, was insgesamt zu einem deutlich intensiveren Bombardement des Substrats mit Ionen führt. Durch Vergleich mit den Eigenschaften von DC-Plasmen konnte gezeigt werden, dass die unterschiedliche Lage der Anode relativ zum Magnetron-Magnetfeld die primäre Ursache für die gefundenen Unterschiede ist. Der Titanoxid-Beschichtungsprozess wurde umfassend untersucht und dabei die Abhängigkeiten der Kristallinität und der Schichteigenschaften von Substrattemperatur, Beschichtungsrate und von dem während der Beschichtung auftretenden Ionenbombardement aufgezeigt. Eine wichtiges Resultat ist, dass durch Anwendung eines intensiven Ionenbombardements des Beschichtungsplasmas die für kristallines Schichtwachstum erforderliche Substrattemperatur sinkt. Das wird durch Nutzung des Pulspaket- bzw. des Bipolar-Pulsmodus anstatt des Unipolar-Pulsmodus sowie durch Wahl eines reaktiveren Arbeitspunkts erreicht. Insgesamt konnte anhand der Untersuchungen der Parameterbereich, in dem die Abscheidung polykristalliner Titanoxidschichten möglich ist, in Richtung niedriger Substrattemperaturen und dünner Schichten ermittelt werden. / In this dissertation, the plasma characteristics and the layer forming process during the titanium oxide deposition with the reactive pulse magnetron sputtering method are investigated. In particular, the procedures which lead to a higher or lower crystallinity and photocatalytic activity are examined and the connections with the coating conditions are analyzed. Investigations are presented concerning the maximum substrate temperature during deposition, the integral ion current onto the substrate as well as the ion energy distribution function of positive and negative ions. One of the most important findings is that when using rectangular magnetrons in the pulse packet mode or in the bipolar pulse about to factor two stronger substrate heating arises in comparison to the unipolar pulse mode. That is due to a higher ion current onto the substrate and a higher self bias potential which leads altogether to a significantly higher ion bombardment of the substrate. It could be shown by comparison with the characteristics of DC plasmas that the different configuration of the anode relative to the magnetic field of the magnetrons is the primary cause for the differences. The titanium oxide coating process was comprehensively examined. Layer crystallinity and layer properties could be related to substrate temperature, deposition rate and ion bombardment during deposition. An important result is that by application of an intensive ion bombardment the substrate temperature necessary for crystalline layer growth decreases. This can be achieved by using the pulse packet or the bipolar pulse mode instead of the unipolar pulse mode as well as by choice of a more reactive working point. All in all, the parameter range in which is it possible to deposit polycrystalline titanium oxide layers could be determined toward low substrate temperatures and small layer thickness.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss einer hyperthermischen Stickstoffionenbestrahlung (Ekin < 25 eV) auf das Galliumnitrid-Schichtwachstum. Dabei wird insbesondere der Einfluss einer Oberflächenrekonstruktion, einer Strukturierung der Oberfläche, einer Zwischenschicht (Pufferschicht) und der Einfluss verschiedener Siliziumsubstratorientierungen auf das epitaktische Wachstum von dünnen Galliumnitrid-Schichten nach einer hyperthermischen Stickstoffionenbestrahlung diskutiert. Ziel war es, möglichst dünne, epitaktische und defektarme Galliumnitrid-Schichten zu erhalten. Für die Charakterisierung der Galliumnitrid-Schichten und der Siliziumsubstrate standen diverse Analysemethoden zur Verfügung. Die kristalline Oberflächenstruktur konnte während des Wachstums mittels Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen beobachtet werden. Nachfolgend wurde die Oberflächentopografie, die kristalline Struktur und Textur, sowie die optischen Eigenschaften der Galliumnitrid-Schichten mittels Rasterkraftmikroskopie, Röntgenstrahl-Diffraktometrie, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie und Photolumineszenzspektroskopie untersucht.

Die vorliegende Dissertation stellt ein neues multikriteriell optimierendes Betriebsführungsverfahren für netzgekoppelte Energiespeicher am Beispiel eines PV-Batteriespeichersystems im Hausbereich vor. Neben der Maximierung des Eigenverbrauchs an Solarenergie steht die Minimierung von Leistungsspitzen sowie der lebensdaueroptimierende Betrieb der Lithium-Ionen-Batterie im Fokus. Zur Verknüpfung der unterschiedlichen Wirkungshorizonte der teils konkurrierenden Betriebsführungsziele wird ein mehrstufiger, optimierungsbasierter Ansatz entwickelt. Das Betriebsführungsverfahren unterteilt sich in die Ebenen Momentan-, Kurzzeit- und Langzeitoptimierung. Die Momentanoptimierung regelt die Netzleistung, gene-riert den Leistungswert der Lithium-Ionen-Batterie und sorgt für einen effizienten Betrieb des Gesamtsystems. Die Kurzzeitoptimierung auf Basis der Dynamischen Programmierung ist verantwortlich für die Maximierung der Nutzung der Solarenergie, die Minimierung der Netzeinspeise- und Netzbezugsleistung und die Minimierung der Stromkosten. Die Reduzierung des Einflusses von Modell- und Prognoseunsicherheiten gelingt durch einen modellprädiktiven Ansatz. Die Langzeitoptimierung beeinflusst das Alterungsverhalten der Lithium-Ionen-Batterie und gewährleistet den lebensdaueroptimierenden Betrieb. Für eine breite Anwendungsklasse werden die Betriebsführungsparameter der einzelnen Ebenen hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit untersucht und der Funktionsnachweis des gesamten Betriebs-führungsverfahrens erbracht. Weiterhin erfolgt der Vergleich mit zwei ausgewählten Referenzverfahren anhand definierter Bewertungskriterien. Abschließend wird der Einsatz des Betriebsführungsverfahrens für den industriellen Anwendungsbereich im Rahmen des For-schungsprojekts OptiStore vorgestellt.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Implementierung ionenstrahlanalytischer Methoden zur Charakterisierung der Probenzusammensetzung in einem Helium-Ionen-Mikroskop mit einem auf unter einen Nanometer fokussierten Ionenstrahl. Zur Bildgebung wird dieser im Mikroskop über Probenoberflächen gerastert und die lokale Ausbeute an Sekundärelektronen gemessen. Obwohl sich damit ein hoher topografischer Kontrast erzeugen lässt, lassen sich weder aus der Ausbeute noch aus der Energieverteilung der Sekundärelektronen verlässliche Aussagen zur chemischen Zusammensetzung der Probe treffen. Daher wurden in dieser Arbeit verschiedene ionenstrahlinduzierte Sekundärteilchen hinsichtlich ihrer Eignung für die Elementanalytik im Helium-Ionen-Mikroskop verglichen. Zur Evaluation standen der Informationsgehalt der Teilchen, deren Analysierbarkeit sowie deren verwertbare Ausbeute. Die Spektrometrie rückgestreuter Teilchen sowie die Sekundärionen-Massenspektrometrie wurden dabei als die geeignetsten Methoden identifiziert und im Detail untersucht. Gegenstand der Untersuchung waren physikalische Limitierungen und Nachweisgrenzen der Methoden sowie deren Eignung zum Einbau in ein Helium-Ionen-Mikroskop. Dazu wurden verschiedene Konzepte von Spektrometern evaluiert, erprobt und hinsichtlich ihrer Effizienz, Energieauflösung und Umsetzbarkeit im Mikroskop bewertet. Die Flugzeitspektrometrie durch Pulsen des primären Ionenstrahls konnte als die geeignetste Technik identifiziert werden und wurde erfolgreich in einem Helium-Ionen-Mikroskop implementiert. Der Messaufbau, die Signal- und Datenverarbeitung sowie vergleichende Simulationen werden detailliert beschrieben. Das Spektrometer wurde weiterhin ausführlich hinsichtlich Zeit-, Energie- und Massenauflösung charakterisiert. Es werden ortsaufgelöste Rückstreuspektren vorgestellt und damit erstmalig die Möglichkeit zur Ionenstrahlanalytik im Helium-Ionen-Mikroskop auf einer Größenskala von ≤ 60 nm aufgezeigt. Das Pulsen des primären Ionenstrahls erlaubt es zudem, die Technik der Sekundärionen-Massenspektrometrie anzuwenden. Diese Methode bietet Informationen zur molekularen Probenzusammensetzung und erreicht für einige Elemente niedrigere Nachweisgrenzen als die Rückstreuspektrometrie. Damit konnten erstmalig im Helium-Ionen-Mikroskop gemessene Sekundärionen-Massenspektren sowie die ortsaufgelöste Elementanalyse durch spektrometrierte Sekundärionen demonstriert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind in der Fachzeitschrift Ultramicroscopy Band 162 (2016) S. 91–97 veröffentlicht. Ab Oktober 2016 werden diese auch in Form eines Buchkapitels in dem Buch „Helium Ion Microscopy“, Springer Verlag Heidelberg zur Verfügung stehen. / The present work describes the implementation of ion beam analysis methods in a helium-ion-microscope for the determination of sample compositions with a focused ion beam of < 1 nm size. Imaging in the microscope is realized by scanning the focused ion beam over the sample surface while measuring the local secondary electron yield. Although this procedure leads to a high topographical contrast, neither the yield nor the energy distribution of the secondary electrons deliver reliable information on the chemical composition of the sample. For this purpose, in this work different ion beam induced secondary particles were compared with respect to their suitability for the analysis of the chemical composition in the helium-ion-microscope. In particular the information content of the particles, their analysability and their yield were evaluated. As a result, the spectrometry of backscattered particles and the mass spectrometry of sputtered secondary ions were identified as the most promising methods and regarded in detail. The investigation focused on physical limitations and detection limits of the methods as well as their implementability into a helium-ion-microscope. Therefor various concepts of spectrometers were evaluated, tested and validated in terms of their efficiency, energy resolution and practicability in the microscope. Time-of-flight spectrometry by pulsing the primary ion beam could be identified as the most suitable technique and has been successfully implemented in a helium-ion-microscope. The measurement setup, signal processing and data handling as well as comparative simulations are described in detail. Further the spectrometer was characterized explicitly in terms of time, energy and mass resolution. Spatially resolved backscattering spectra will be shown demonstrating the feasibility of performing ion beam analysis in a helium-ion-microscope for the first time on a size scale of ≤ 60 nm. By pulsing the primary ion beam the technique of secondary ion mass spectrometry becomes automatically accessible. This method provides information on the molecular composition of samples and can reach higher detection limits than those from backscattering spectrometry. For the first time, in a helium-ion-microscope measured secondary ion mass spectra and spatially resolved elemental analysis by spectrometry of secondary ions, could be demonstrated. The results of this work are published 2016 in the scientific journal Ultramicroscopy, volume 162 on pages 91 to 971. In October 2016 there will be another publication as a book chapter in „Helium Ion Microscopy“ (publisher: Springer Verlag Heidelberg).

This thesis experimentally investigates laser-driven proton acceleration in the regime of target normal sheath acceleration (TNSA) using ultrashort (pulse duration τL = 30 fs), high power (∼100TW) laser pulses. The work focuses on how the temporal intensity profile of the ultrashort laser pulse influences the plasma formation during the laser-target interaction and the subsequent acceleration process. The corresponding experiments are performed at the Draco laser facility at the Helmholtz-Zentrum Dresden – Rossendorf. The main result of the thesis is the experimental observation of transverse spatial modulations in the laser-driven proton distribution. The onset of the modulations occurs above a target-dependent laser energy threshold and is found to correlate with parasitic laser emission preceding the ultrashort laser pulse. The analysis of the underlying plasma dynamics by using numerical simulations indicates that plasma instabilities lead to the filamentation of the laser-accelerated electron distribution. The resulting spatial pattern in the electron distribution is then transferred to the proton distribution during the acceleration process. The plasma instabilities, which the electron current is subjected to, are a surface-ripple-seeded Rayleigh-Taylor or a Weibel instability. Regarding their occurrence, both instabilities show a strong dependence on the initial plasma conditions at the target. This supports the experimentally observed connection between the temporal intensity profile of the laser pulse and the development of spatial modulations in the proton distribution. The study is considered the first observation of (regular) proton beam modulations for TNSA in the regime of ultrashort laser pulses and micrometer thick target foils. The experiments emphasize the requirement for TNSA laser power scaling studies under the consideration of realistic laser-plasma interaction conditions. In that way, the potential of the upcoming generation of Petawatt power lasers for laser-driven proton acceleration can be assessed and fully exploited. In the second part of the thesis, experimental pump-probe techniques are investigated. With an imaging method termed high depth-of-field time-resolved microscopy in a reflective probing setup, micrometer-size local features of the near-critical density plasma as well as the global topography of the plasma can be resolved. The spatio-temporal resolution of the target ionization and heating dynamics is achieved by probing the target reflectivity, whereas the angular distribution of the reflected probe beam carries signatures of the plasma expansion. The presented probing technique avails to correlate the temporal intensity profile of a laser pulse with the spatio-temporal plasma evolution triggered upon laser-target interaction.

In diesem Beitrag wird ein neuer Ansatz zur Modellierung von Lithium-Ionen-Zellen vorgestellt, bei dem neben einem Modell zur Beschreibung des Nominalverhaltens der Zelle ein Unbestimmtheitsmodell parametriert wird, welches die unvermeidbare Abweichung zwischen dem Nominalmodell und dem tatsächlichen Zellverhalten quantifiziert. Für diese Modellbeschreibung wird ein neuer Algorithmus zur Ladezustandsdiagnose entwickelt, der anstelle eines einzelnen (fehlerbehafteten) Wertes für den Ladezustand ein Vertrauensintervall angibt sowie Artefakte im zeitlichen Verlauf des geschätzten Ladezustandes vermeidet. Die Eigenschaften der Ladezustandsschätzung werden an einer Lithium-Ionen-Zelle und einem Einsatzszenario aus dem automobilen Bereich demonstriert. / In this paper, a new approach to modeling lithium ion cells is presented. In addition to a model that describes the nominal behavior of the cell, an uncertainty model is parameterized which quantifies the unavoidable difference between the nominal model and the true system behavior. For this model description a new algorithm for state of charge estimation is developed, which provides a confidence interval instead of a single unreliable value for the state of charge and avoids artifacts in the progression of the estimated state of charge over time. The properties of the state of charge estimation are demonstrated on a lithium-ion cell in an automotive application scenario.