In the present work new methods were developed for preparation of novel nanosized and nanostructured ceramic materials. Ordered mesoporous silica SBA-15 was found to be useful as a hard template for the nanocasting of silicon carbide and allowed the preparation of high temperature stable mesoporous silicon carbide ceramics. Chemical vapor infiltration of SBA-15 with dimethyldichlorosilane at elevated temperatures yields SiC/SBA-15 nanocomposites. The subsequent HF treatment of those composites resulted in silica removal and preparation of mesoporous silicon carbide with surface areas between 410 and 830 m2g-1 and high mesopore volume (up to 0.9 cm3g-1). The pore size (between 3 and 7nm in diameter) and surface area of mesoporous silicon carbide were controlled by adjusting the infiltration conditions (time, atmosphere). The mesoporous silicon carbide prepared via this method showed high structural thermal stability at 1300 oC, exceeding that of the SBA-15 template. However, the ordering on the mesoscopic scale was low. Nevertheless, highly ordered mesoporous silicon carbide materials were obtained via polymer melt infiltration in SBA-15. The low molecular weight polycarbosilane used as a preceramic precursor was converted at 1300 oC to silicon carbide inside the SBA-15, and after subsequent silica removal by HF, a highly ordered mesoporous material was obtained. Ordered mesoporous silicon carbide prepared by the methods reported here, may be an interesting material as a support due to its high temperature stability, chemical inertness, high thermal conductivity and semiconductor properties. In contrast to the nanocasting approach, based on the complete pore filling, also a new in-situ procedure for the preparation of finely dispersed metal and metal oxide particles inside ordered mesoporous silica was developed. A swelling agent (toluene) was used to deliver a hydrophobic platinum precursor into the surfactant micelles before addition of silica source. Such an in-situ method resulted in very high platinum incorporation (80-100%), not achieved for any other in-situ preparation procedures. Additionally, the presence of platinum allowed to decrease the template removal temperatures. Moreover, the method was also extended to other metal or metal oxide/ordered mesoporous silica systems. This may be especially interesting for the preparation of ordered mesoporous materials with low melting points, where typically the structure collapses during the high temperature calcinations process. The in-situ synthesized V2O5/MCM-41 materials were used to prepare VN/MCM-41 composites via nitridation in ammonia at 800oC. This method allowed to prepare highly dispersed, X-ray amorphous vanadium nitride species, with high activity in the propane dehydrogenation. Compared to nitridation of supported vanadium oxide prepared via the ex-situ procedure, in-situ synthesized materials showed similar catalytic activity, in spite of having significantly lower vanadium loading. As an alternative for the preparation of supported nitride materials, a novel preparation procedure of bulk not supported nanocrystalline vanadium nitride with high surface area was presented. Instead of pure oxide powder (which was typically used in the preparation of high surface area vanadium nitride catalysts), a macroporous amine intercalated V2O5 was used as the starting material. The obtained nitride consisted of small crystallites and had a surface area up to 198 m2g-1. Moreover, this foam-derived VN showed significantly improved activity as a catalyst in propane dehydrogenation. This novel preparation method could also be extended to other systems such as ternary VMoxNy nitrides.

Nanokristalline Permanentmagnete zeigen ungewöhnliche magnetische Eigenschaften aufgrund von Oberflächen- und Grenzflächeneffekten, die verschieden von denen massiver oder mikrokristalliner Materialien sind. Diese Arbeit zeigt Ergebnisse einer systematischen Untersuchung der Beziehung zwischen Mikrostruktur und magnetischen Eigenschaften von isotropen nanokristallinen (Nd,Pr)(Fe,Co)B-Permanentmagneten. Hochkoerzitive Magnete vom Typ (Nd,Pr)FeB wurden durch hochenergetisches Mahlen in der Kugelmühle oder Rascherstarrung hergestellt. Der Einfluss geringer Mengen von Zusätzen wie Dy und Zr und die Substitution von Nd durch Pr auf die magnetischen Eigenschaften wird dargestellt. Weiterhin wurde eine Einschätzung des Warmumformverhaltens dieser Materialien durchgeführt. Hochenergetisches Kugelmahlen einer Legierung mit der Anfangszusammensetzung Pr9Nd3Dy1Fe72Co8B6.9Zr0.1 führte, nach Glühbehandlung, zu fast einphasigem Magnetpulver mit einem maximalen Energieprodukt von (BH)max~140 kJm-3. Das hochenergetische Kugelmahlen wurde zu einer sehr vielseitigen Technik zur Herstellung hochleistungsfähiger Nanokompositmagnete weiterentwickelt. Das Zulegieren unterschiedlicher Anteile von weichmagnetischem alpha-Fe ist damit sehr effektiv möglich. Der Zusatz von 25 Gew.-% alpha-Fe führt zu einem hohen (BH)max=178kJm-3. Dies wird auf eine sehr effektive Austauschkopplung zwischen den hart- und weichmagnetischen Phasen zurückgeführt. Die Natur der intergranularen Wechselwirkungen kann durch die Wohlfarth´sche Remanenzanalyse (?deltaJ-plot¡§) beschrieben werden. Im speziellen wurden deltaJ-Diagramme für verschiedene (i) alpha-Fe Gehalte, (ii) Korngrößen und (iii) Austauschlängen erstellt. Es konnte gezeigt werden, dass in den Nanokompositmagneten auf Pr-Basis keine Spinumorientierung auftritt. Abschließend zeigt die Arbeit die Möglichkeit der Nutzung einer mechanisch aktivierten Gas-Festkörper-Reaktion auf, mit der eine sehr feinkörnige Mikrostruktur erhalten wird. Die Untersuchungen wurden mit stöchiometrischen Nd2(Fe1-xCox)14B-Legierungen begonnen (x=0-1). Die Verbindungen wurden unter höheren Wasserstoffdrücken und Temperaturen gemahlen, wodurch sie zu NdH2+delta und krz-(Fe,Co) (x=0-0.75) oder kfz-Co (x=1) entmischt wurden. Die Korngrößen des rekombinierten Nd2(Co,Fe)14B-Materials liegen im Bereich von 40-50 nm. / Nanocrystalline permanent magnets present unusual magnetic properties because of surface/interface effects different from those of bulk or microcrystalline materials. This work presents results of a systematic investigation of the relationship between microstructure and magnetic properties in isotropic nanocrystalline (Nd,Pr)(Fe,Co)B permanent magnets. Highly coercive (Nd,Pr)FeB-type magnets have been produced using high energy ball milling and melt-spinning. The influence of small amounts of additives, Dy and Zr, and the substitution of Nd by Pr on the microstructural and magnetic properties are shown. An assessment of the hot deformation behaviour has been carried out. Intensive milling of an alloy with starting composition Pr9Nd3Dy1Fe72Co8B6.9Zr0.1 yields, after annealing treatment, nearly single-phase magnet powders with a maximum energy product (BH)max?î140kJm-3. Co has a beneficial effect on the intrinsic magnetic properties but also on the microstructure, with a mean grain size of 20nm. Intensive milling is used to produce high-performance nanocomposite magnets by blending this latter alloy with different fractions of soft magnetic alfa-Fe. Addition of 25wt.% alfa-Fe leads to a high (BH)max=178 kJm-3 due to an effective exchange-coupling between the hard and the soft magnetic phases. The intergrain interactions between the crystallites of the nanocomposite structure are analysed. Demagnetisation recoil loops of the nanocomposite magnets show relatively open minor loops due to the exchange-spring mechanism. Information about the intergrain interactions during demagnetisation are obtained by plotting the deviation of the demagnetising remanence from the Wohlfarth-model (¡§deltaJ-plot¡¨). Exchange-coupling phenomena are studied by analysing the evolution of the corresponding deltaJ values when varying (i) the alfa-Fe content, (ii) the annealing temperature, i.e. the grain size and (iii) the measurement temperature. Low temperature measurements do not reveal any sign of spin reorientation for these Pr-based nanocomposite magnets. The work concludes showing the possibility of using a mechanically activated gas-solid reaction to obtain an effective grain refined microstructure starting from stoichiometric Nd2(Fe1-xCox)14B alloys (x=0-1). These compounds were milled under enhanced hydrogen pressure and temperature leading to their disproportionation into NdH2+delta and bcc-(Fe,Co) (x=0-0.75) or fcc-Co (x=1). Grain sizes of recombined Nd2(Fe,Co)14B materials were found to be 40-50nm.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zwei verschiedene Klassen oxidischer Nanomaterialien nasschemisch synthetisiert und strukturell-morphologisch charakterisiert. Zum einen betrifft dies TiO2-, TiO2/SiO2-, Ag/TiO2- und Pd/TiO2-Sole, welche die photokatalytisch aktive Modifikation Anatas in nanokristalliner Form enthalten und über einen solvothermalen Sol-Gel-Prozess hergestellt werden konnten. Im Hinblick auf eine potentielle Anwendung in der Desinfektionstechnologie und für den Abbau organischer Umweltschadstoffe wurde die photokatalytische Aktivität von Pulvern und Beschichtungen auf Textil durch E. coli-Abtötung bzw. Modellfarbstoffabbau untersucht. Im Weiteren wurde die antimikrobielle Aktivität pyroelektrischer LiNbO3- und LiTaO3-Pulvermaterialien unter zyklischer thermischer Anregung nachgewiesen. Diese als Pyroelektrokatalyse bezeichnete Nutzung des pyroelektrischen Effektes in einem katalytischen bzw. elektrochemischen Prozess ist dabei von grundlegender Neuheit. Aufsetzend auf den physiko-chemischen Grundlagen dieses Phänomens wurde eine Hypothese des Mechanismus entwickelt und in Analogie zur Photokatalyse diskutiert. / This thesis deals with two classes of oxidic nanomaterials that were synthesized by chemical solution routes and characterized with respect to structure and morphology. Sols of TiO2, TiO2/SiO2, Ag/TiO2 and Pd/TiO2 containing the photocatalytically active modification anatase in nanocrystalline form were prepared via a solvothermal sol-gel process. With regard to potential application in disinfection and environmental remediation technology the photocatalytic activity of powders and coatings on textile was investigated by means of E. coli decomposition and organic dye degradation. Further the antimicrobial activity of pyroelectric LiNbO3 and LiTaO3 powder materials under cyclical thermal excitation was demonstrated. In this context the application of the pyroelectric effect in a catalytic or electrochemical process – termed as pyroelectrocatalysis – is of fundamental novelty. Based on the physico-chemical principles of the phenomenon a hypothesis of the mechanism was developed and discussed in analogy with photocatalysis.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchung der gekoppelten Einflüsse ‎von Gasart, Porengröße und Porengrößenverteilung auf die effektive ‎Wärmeleitfähigkeit nicht-durchströmter poröser Materialien (Dämmstoffe). Diese ‎Zusammenhänge sind bisher nur ansatzweise bekannt und für eine spätere ‎praktische Anwendung von zunehmend großer Bedeutung. Um dies zu erreichen ‎wurden 12 verschiedene hoch poröse Materialien (Porosität höher als 70 %) ‎ausgewählt, die unterschiedlichen Porengrößenverteilungen im Makro- Mikro- und ‎Nanobereich haben. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wurde hauptsachlich in zwei ‎unterschiedlichen Messverfahren untersucht. Die Messungen erfolgt bei normalem ‎Druck in vier Gas Atmosphären ‎(Kr, Ar, N2 and He) bei Temperaturen bis maximal 900 °C. Kritische Analyse zum ‎jeweiligen Messverfahren und Auswertungsalgorithmus wurden durchgeführt. Ein ‎mathematisches Model basiert auf die Porengrößenverteilung mit Berücksichtigung ‎des Knudsen Effekts wurde entwickelt um die Änderung der effektiven ‎Wärmeleitfähigkeit beim Wechsel der Gas Atmosphäre auszuwerten. Diese führt zu ‎besser Ergebnisse als die ausgewertet Ergebnisse von den vorhandenen Modellen ‎aus der Literatur. ‎ / In the present work, the influences of exchanging the filling gas accompanied with Knudsen effect on effective thermal conductivity were investigated with experiments and physical mathematical modeling. This work is thought to be the first intensive study in this area of the research, which includes twelve different porous insulation materials. Analysis of the huge number of experimental results leaded to new observations regarding various coupling effects. An improved model for predicting the change in effective thermal conductivity due to exchanging the filling gas has been developed with regards to the Knudsen effect based on models for rarefied gases and parallel arrangements models for effective thermal conductivity.

In this dissertation, BaTiO3 nanocrystals, Bi4Ti3O12 nanostructured microspheres, and cosubstituted Bi4Ti3O12 nanoparticles and ceramics were prepared using solvothermal, hydrothermal and citrate-gel methods. The ferroelectric properties of the prepared cosubstituted Bi4Ti3O12 ceramics were studied using P–E hysteresis loop, leakage, and polarization fatigue measurements. A two-phase solvothermal synthesis approach for the preparation of hydrophobic BaTiO3 nanocrystals was developed. The two-phase method is based on the growth of nanocrystals at the oil/water interface by the reaction between metal surfactant complexes in the oil phase and a mineralizer in the water phase. Three kind of organic solvents, hexadecene, toluene, and heptane were used as the oil phase and compared to each other with respect to the product quality. The BaTiO3 particles are crystalline with a mean size of 3.7 nm and can be dispersed in a variety of organic solvents forming highly transparent dispersions. A hydrothermal method was developed for the synthesis of Bi4Ti3O12 nanostructured microspheres consisting of granular nanoparticles and nano-platelets. The precursor powder was prepared using a diethylene glycol mediated coprecipitation method. Tailoring of the morphology was achieved by changing the precursor quantity, sodium hydroxide concentration, and reaction time. The formation mechanism of the nanostructured microspheres probably involves aggregation, followed by dissolution and recrystallization. Bi3.25Pr0.75Ti2.97V0.03O12 (BPTV) and Bi3.25La0.75Ti3-xMxO12, (BLTMx, M = Mo, W, Nb, V, x = 0.0–0.12) ferroelectric nanoparticles and ceramics were synthesized using a modified citrate-gel method that has a crystallization temperature as low as 450 °C. The synthesized nanoparticles were spherical ranging from 30 to 100 nm. Except Nb5+, other donor cations were introduced using the corresponding oxides that have advantages in terms of high purity, low cost, and availability. The Bi3.25Pr0.75Ti2.97V0.03O12 ceramic is orthorhombic and its 2Pr and 2Ec values measured at 300 kV/cm were 35 μC/cm2 and 148 kV/cm respectively. The texture, microstructure, and ferroelectric properties of the prepared Bi3.25La0.75Ti3-xMxO12, (BLTMx, M = Mo, W, Nb, V, x = 0.0–0.12) ceramics depend on x. The maximum 2Pr (30–32 μC cm−2) was achieved at an optimum cosubstitution level (x = 0.025 for M6+, x = 0.03 for M5+). The high remanent polarization, low leakage current, and low polarization fatigue render the prepared ceramics promising for practical applications.

In Silizium-Nanokristall-Speichern werden im Gate-Oxid eines Feldeffekttransistors eingebettete Silizium Nanokristalle genutzt, um Elektronen lokal zu speichern. Die gespeicherte Ladung bestimmt dann den Zustand der Speicherzelle. Ein wichtiger Aspekt in der Technologie dieser Speicher ist die Erzeugung der Nanokristalle mit einerwohldefinierten Größenverteilung und einem bestimmten Konzentrationsprofil im Gate-Oxid. In der vorliegenden Arbeit wurde dazu ein sehr flexibler Ansatz untersucht: die thermische Ausheilung von SiO2/SiOx (x < 2) Stapelschichten. Es wurde ein Sputterverfahren entwickelt, das die Abscheidung von SiO2 und SiOx Schichten beliebiger Zusammensetzung erlaubt. Die Bildung der Nanokristalle wurde in Abhängigkeit vom Ausheilregime und der SiOx Zusammensetzung charakterisiert, wobei unter anderem Methoden wie Photolumineszenz, Infrarot-Absorption, spektroskopische Ellipsometrie und Elektronenmikroskopie eingesetzt wurden. Anhand von MOS-Kondensatoren wurden die elektrischen Eigenschaften derart hergestellter Speicherzellen untersucht. Die Funktionalität der durch Sputterverfahren hergestellten Nanokristall-Speicher wurde erfolgreich nachgewiesen. / In silicon nanocrystal memories, electronic charge is discretely stored in isolated silicon nanocrystals embedded in the gate oxide of a field effect transistor. The stored charge determines the state of the memory cell. One important aspect in the technology of silicon nanocrystal memories is the formation of nanocrystals near the SiO2-Si interface, since both, the size distribution and the depth profile of the area density of nanocrystals must be controlled. This work has focussed on the formation of gate oxide stacks with embedded nanocrystals using a very flexible approach: the thermal annealing of SiO2/SiOx (x < 2) stacks. A sputter deposition method allowing to deposit SiO2 and SiOx films of arbitrary composition has been developed and optimized. The formation of Si NC during thermal annealing of SiOX has been investigated experimentally as a function of SiOx composition and annealing regime using techniques such as photoluminescence, infrared absorption, spectral ellipsometry, and electron microscopy. To proof the concept, silicon nanocrystal memory capacitors have been prepared and characterized. The functionality of silicon nanocrystal memory devices based on sputtered gate oxide stacks has been successfully demonstrated.

Hochfeste Leitermaterialien werden für gepulste Hochfeld-Magnetspulen benötigt, um damit die sehr hohen Magnetfelder mit einer magnetischen Flussdichte von bis zu 100 T zerstörungsfrei erzeugen zu können. Cu-Nb-Legierungen besitzen ein hohes Potential, um die widersprüchlichen Anforderungen an das Leitermaterial, wie hohe Festigkeit, hohe Leitfähigkeit und gute Verformbarkeit, zu erfüllen. Die Herstellung von Cu-Nb-Legierungen ist jedoch auf dem konventionellen Weg der Schmelzmetallurgie aufgrund der vernachlässigbar kleinen gegenseitigen Randlöslichkeit der beiden Komponenten sehr kompliziert. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchengen zur Technologie für die Herstellung von hochfesten Cu-Nb-Leitermaterialien auf der Basis der Pulvermetallurgie. Gleichermaßen ist die Entwicklung der Legierung Kerninhalt der vorliegenden Arbeit. Hierfür wurden während der einzelnen Prozessschritte sowohl die Entwicklung des Gefüges als auch die für die Anwendung relevanten Eigenschaften der Legierung untersucht und die Beziehungen zwischen Gefüge und mechanischen wie auch elektrischen Eigenschaften ermittelt.

This work has been devoted to the study of phase transformations involving chemical ordering and magnetic properties evolution in bulk Fe-Pt alloys composed of nanometer-sized grains. A comprehensive study of phase transformations and ordering in Fe-Pt alloys is performed by a combination of in-situ neutron powder diffraction and thermal analysis. The dependence of ordering processes on the alloy composition and initial microstructure (homogeneous A1 phase or multilayer-type) is established. Through the use of mechanical alloying and subsequent heat treatment it has been possible to achieve the formation of chemically highly ordered L10 FePt and, in the case of the Fe-rich and Pt-rich compositions, L12 Fe3Pt and FePt3 phases, respectively. Whereas in Pt-rich alloys the decoupling effect of the FePt3 phase leads to coercivity improvement, in Fe-rich nanocomposites a peculiar nanometer scale multilayer structure gives rise to remanence enhancement due to large effects of exchange interactions between the crystallites of the phases. The structure, magnetic properties and magnetisation reversal processes of these alloys are investigated. Experimentally observed phenomena are understood on the basis of a simple two-particle interaction model. Neutron diffraction has also been used for the investigation of the magnetic structure of ordered and partially ordered nanocrystalline Fe-Pt alloys. It has been shown that the magnetic moment of Fe atoms in L10-type Fe Pt alloys is sensitive to the compositional order. The results are compared to density functional calculations.

Es wird ein Verfahren zur lokalisierten elektrochemischen Abscheidung metallischer Strukturen aus Kapillarsonden vorgestellt. Der experimentelle Aufbau, die Herstellung der Sonden, das Arbeiten im Nahfeld der Probe (Scherkraft-Abstandsdetektion)sowie die verschiedenen Beschaltungmöglichkeiten der elektrochemischen Zelle werden ausführlich beschrieben. Ergänzend zu den experimentellen Arbeiten werden einerseits numerische Simulationen gezeigt, die zur Veranschaulichung der Potentialverteilung in der Apexregion dienen und qualitativ beschreiben, wie sich das Schichtdickenprofil der abgeschiedenen Strukturen mit den einstellbaren Parametern (Elektrodenpotentiale, Spitze-Probe-Abstand) variieren läßt. Andererseits werden die verschiedenen Beschaltungsmöglichkeiten der Zelle anhand von Schaltungssimulationen verglichen und so die Wahl des günstigsten Arbeitspunktes für die in den Experimenten verwendete (bi)-potentiostatische Abscheidung diskutiert. Mit dieser Anordnung wurden lokalisiert Cluster in einer porösen Aluminiumoxidmembran deponiert und anschließend abgebildet. In weiteren Strukturierungsversuchen wurden Kupfer bzw. Gold lokalisiert elektrochemisch auf ITO abgeschieden, wobei das Schichtwachstum simultan optisch in Transmission beobachtet wurde. Es werden u.a. Strukturen erzeugt, deren laterale Abmessungen kleiner als der Kapillardurchmesser sind (Fokussierung, max. Verhältnis 8:1). Die derzeit kleinsten elektrochemisch erzeugbaren Strukturen haben eine laterale Ausdehnung von ca. 5 Mikrometern. / A method for the localized electrochemical deposition of metal structures using capillary tips is presented. The experimental set-up, the tip preparation, the distance detection in near-field operation (shear-force detection), as well as the different types of circuiting of the electrochemical cell are described in detail. In addition to the experimental work, numerical simulations for the qualitative visualization of the potential distribution around the apex region show, how the films thickness profile can be adjusted with the variable parameters (electrode voltages, tip-sample distance). Circuit simulations of the electrochemical cell allow to pre-estimate the optimum working conditions for the used (bi)-potentiostatic electrode set-up. With this method, clusters have been deposited in a thin film of porous alumin oxide and imaged in shear-force mode. Gold and copper structures have been deposited on ITO, while the film growth was observed optically. The lateral dimension of the deposited structures can be smaller than the inner diameter of the capillaries (maximum focus: 8:1). The smallest structures produced in this work have lateral dimensions of 5 micrometers.

Hochfeste Leitermaterialien werden für gepulste Hochfeld-Magnetspulen benötigt, um damit die sehr hohen Magnetfelder mit einer magnetischen Flussdichte von bis zu 100 T zerstörungsfrei erzeugen zu können. Cu-Nb-Legierungen besitzen ein hohes Potential, um die widersprüchlichen Anforderungen an das Leitermaterial, wie hohe Festigkeit, hohe Leitfähigkeit und gute Verformbarkeit, zu erfüllen. Die Herstellung von Cu-Nb-Legierungen ist jedoch auf dem konventionellen Weg der Schmelzmetallurgie aufgrund der vernachlässigbar kleinen gegenseitigen Randlöslichkeit der beiden Komponenten sehr kompliziert. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchengen zur Technologie für die Herstellung von hochfesten Cu-Nb-Leitermaterialien auf der Basis der Pulvermetallurgie. Gleichermaßen ist die Entwicklung der Legierung Kerninhalt der vorliegenden Arbeit. Hierfür wurden während der einzelnen Prozessschritte sowohl die Entwicklung des Gefüges als auch die für die Anwendung relevanten Eigenschaften der Legierung untersucht und die Beziehungen zwischen Gefüge und mechanischen wie auch elektrischen Eigenschaften ermittelt.