Die Dissertation verfolgt die Fragestellung biologische Materialien in herkömmlichen elektronischen Strukturen einzusetzen. Im Verlauf der Darstellung werden deshalb die elektrischen Eigenschaften von DNA mit Hinblick auf diesen Einsatz untersucht. Dabei wird zunächst gezeigt, dass sich native DNA durch seine geringe elektrische Leitfähigkeit wahrscheinlich nicht für einen Einsatz in elektronischen Stromkreisen eignet. Deswegen wird ein alternativer Ansatz entwickelt, bei dem DNA zur Assemblierung von dünnen Metalldrähten verwendet wird. Es wird ein Verfahren entwickelt, mit dem Palladium- und Platincluster mit einer Größe von 3 nm auf der DNA erzeugt werden können. Durch die weitere Anlagerung von Metall gelang die kontinuierliche Bedeckung der DNA mit Metall. Im Ergebnis entstehen metallische Clusterketten und Nanodrähte mit einem Durchmesser von 20 bis 100 nm und mehreren Mikrometern Länge. Diese metallischen Strukturen wurden erfolgreich zwischen zwei Goldkontakte integriert. Bei den Messungen konnte eine gute elektrische Leitfähigkeit mit linearer Strom-Spannungsabhängigkeit beobachtet werden. Damit sind diese Strukturen als Verbindungselemente in Schaltkreisen geeignet und somit kann DNA in einem Schaltkreis als strukturgebendes Element für die Assemblierung von Metalldrähten Verwendung finden. Die Anwendungsmöglichkeiten der in dieser Arbeit entwickelten DNA-Metallisierung erstrecken sich jedoch nicht nur auf den technologischen Bereich. Insbesondere konnten in den erzeugten Nanostrukturen Quanteneffekte der schwachen Lokalisierung und Elektron-Elektron-Wechselwirkung nachgewiesen werden. Diese Phänomene führen bei tiefen Temperaturen zu einem Widerstandsanstieg mit sinkender Temperatur. Grund für dieses Verhalten sind die geringen Abmessungen der Probe und eine stark gestörte innere Struktur der Nanodrähte. Damit erscheint die Assemblierung von nanoskaligen Strukturen auf einem biologischen Template als realistisches Konzept zur Untersuchung von Quantenphänomenen kleinster Strukturen.

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.

Nutzbare Energie ist ein knappes Gut. Aus ökonomischen und ökologischen Gründen wird die effiziente und nachhaltige Nutzung der verfügbaren Energie angestrebt. Wird Energie in elektrischer Form bereitgestellt oder transportiert, kommt der Minimierung der Verluste an elektrotechnischen Anlagen oder Bauelementen eine grundlegende Bedeutung zu. So werden beispielsweise Transformatorenkomponenten und Verstärkerelemente aus weichmagnetischen Werkstoffen mit geringem Ummagnetisierungsverlust gefertigt. In dieser Arbeit wird der Zusammenhang zwischen der magnetischen Mikrostruktur und dem magnetischen Ummagnetisierungsverlust nanokristalliner Ringbandkerne untersucht. Der Einfluss von Stärke und Lage einer induzierten Anisotropie wird anhand induktiver Hysteresemessung und simultaner Beobachtung magnetischer Domänen mit stroboskopischer Kerrmikroskopie charakterisiert.

Um die Nanomaterialien bei keramischen Formgebungsprozessen verarbeiten zu können, stellt die nasse Homogenisierung, Dispergierung und die Granulierung eine wichtige Grundlage dar. Durch die organischen Additive, verschiedenen Feststoffgehalte der Suspensionen und Granulierungsverfahren lassen sich die Strukturen, Porositäten und Festigkeiten der Einzelgranalien beeinflussen. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen den Einzelgranalien-Eigenschaften und dem Granulathaufwerk. Diese Granulateigenschaftskorrelationen bei den untersuchten Sprüh-Gefrier-Granulaten und Sprühgranulaten spielen eine wichtige Rolle für die optimale technologische Verarbeitung der Granulate als Pressgranulat und als Instantgranulat. Sowohl für ein defektärmeres Gefüge im Presskörper als auch für die vollständige Redispergierbarkeit der Granulate sind die lockeren Sprüh-Gefrier-Granalien mit niedrigen Einzelgranalienfestigkeiten und hohen Einzelgranalienporositäten vorteilhaft. Es konnte gezeigt werden, dass eine qualitative Maßstabübertragung der Sprüh-Gefrier-Granulierung vom Labor in eine Technikums- oder auch großtechnische Anwendung prinzipiell möglich ist.

Aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften haben ultrafeinkörnige Werkstoffe, die aus konventionellen normalkörnigen Halbzeugen über eine extrem große Kaltverformung hergestellt wurden, in den letzten zwei Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung erlangt. In der vorliegenden Arbeit wird das Fließspannungsverhalten eines Reinaluminiumwerkstoffes (EN AW-1070 – Al99,7) und einer ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung (EN AW-6060 – AlMgSi) mit Korngrößen von bis zu 660 nm und 310 nm in einem weiten Bereich von Dehnungen und Dehnraten analysiert und mit den zzt. existierenden Modellvorstellungen zu den mikrostrukturellen Abläufen in Verbindung gebracht. Um die Voraussetzung zur Herstellung von ultrafeinkörnigen Werkstoffen zu schaffen, wurden mehrere Werkzeugprototypen für die ECAP-Umformung im Labormaßstab entwickelt und erprobt. Die Untersuchungen zum Fließspannungsverhalten erfolgten anhand von Zug- und Druckversuchen über insgesamt sieben Dekaden der Dehnrate bis in den Bereich der hochdynamischen Belastung von 10^3 s^-1. Die Tests zeigen, dass das Fließspannungsverhalten ultrafeinkörniger Aluminiumwerkstoffe vollständig mithilfe der thermisch aktivierbaren Mechanismen erklärbar ist, wobei Ausscheidungen eine wichtige Rolle spielen. / Because of their exceptional properties ultrafine-grained materials, processed from conventional polycrystalline materials by severe plastic deformation, have gained increasing scientific and industrial interest during the last two decades. Based on the concept of work-hardening for f.c.c. metals the commercially pure aluminium AA1070 (Al99,7 – soft annealed) and the aluminium alloy AA6060 (AlMgSi – peak aged) were investigated. ECAP was used to introduce very high strains and an ultrafine-grained microstructure with grain sizes down to 660 nm and 310 nm. Subsequently compression and tensile tests were performed in a wide range of strain rates over seven decades up to the range of impact loading of 10^3 s^-1. The results indicate that strain path and the corresponding dislocation structure is important for the post-ECAP yielding and the following hardening response. Furthermore the precipitates of the AA6060 clearly constrain the interactions of dislocations in work-hardening stage III – causing lower strain rate sensitivity. If compared to the AA1070 they avoid hardening in stage V where an additional rate and temperature depending effect contributes – caused by the interaction of deformation induced vacancies and dislocations. The results indicate that the strain-hardening behavior can be described by thermal activated mechanisms.

Originally presented as the author's Thesis--Technische Universität Berlin, 2007. / Includes bibliographical references.

Zugl.: Bayreuth, Universiẗat, Diss., 2009.

Die Dissertation verfolgt die Fragestellung biologische Materialien in herkömmlichen elektronischen Strukturen einzusetzen. Im Verlauf der Darstellung werden deshalb die elektrischen Eigenschaften von DNA mit Hinblick auf diesen Einsatz untersucht. Dabei wird zunächst gezeigt, dass sich native DNA durch seine geringe elektrische Leitfähigkeit wahrscheinlich nicht für einen Einsatz in elektronischen Stromkreisen eignet. Deswegen wird ein alternativer Ansatz entwickelt, bei dem DNA zur Assemblierung von dünnen Metalldrähten verwendet wird. Es wird ein Verfahren entwickelt, mit dem Palladium- und Platincluster mit einer Größe von 3 nm auf der DNA erzeugt werden können. Durch die weitere Anlagerung von Metall gelang die kontinuierliche Bedeckung der DNA mit Metall. Im Ergebnis entstehen metallische Clusterketten und Nanodrähte mit einem Durchmesser von 20 bis 100 nm und mehreren Mikrometern Länge. Diese metallischen Strukturen wurden erfolgreich zwischen zwei Goldkontakte integriert. Bei den Messungen konnte eine gute elektrische Leitfähigkeit mit linearer Strom-Spannungsabhängigkeit beobachtet werden. Damit sind diese Strukturen als Verbindungselemente in Schaltkreisen geeignet und somit kann DNA in einem Schaltkreis als strukturgebendes Element für die Assemblierung von Metalldrähten Verwendung finden. Die Anwendungsmöglichkeiten der in dieser Arbeit entwickelten DNA-Metallisierung erstrecken sich jedoch nicht nur auf den technologischen Bereich. Insbesondere konnten in den erzeugten Nanostrukturen Quanteneffekte der schwachen Lokalisierung und Elektron-Elektron-Wechselwirkung nachgewiesen werden. Diese Phänomene führen bei tiefen Temperaturen zu einem Widerstandsanstieg mit sinkender Temperatur. Grund für dieses Verhalten sind die geringen Abmessungen der Probe und eine stark gestörte innere Struktur der Nanodrähte. Damit erscheint die Assemblierung von nanoskaligen Strukturen auf einem biologischen Template als realistisches Konzept zur Untersuchung von Quantenphänomenen kleinster Strukturen.

Um die Nanomaterialien bei keramischen Formgebungsprozessen verarbeiten zu können, stellt die nasse Homogenisierung, Dispergierung und die Granulierung eine wichtige Grundlage dar. Durch die organischen Additive, verschiedenen Feststoffgehalte der Suspensionen und Granulierungsverfahren lassen sich die Strukturen, Porositäten und Festigkeiten der Einzelgranalien beeinflussen. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen den Einzelgranalien-Eigenschaften und dem Granulathaufwerk. Diese Granulateigenschaftskorrelationen bei den untersuchten Sprüh-Gefrier-Granulaten und Sprühgranulaten spielen eine wichtige Rolle für die optimale technologische Verarbeitung der Granulate als Pressgranulat und als Instantgranulat. Sowohl für ein defektärmeres Gefüge im Presskörper als auch für die vollständige Redispergierbarkeit der Granulate sind die lockeren Sprüh-Gefrier-Granalien mit niedrigen Einzelgranalienfestigkeiten und hohen Einzelgranalienporositäten vorteilhaft. Es konnte gezeigt werden, dass eine qualitative Maßstabübertragung der Sprüh-Gefrier-Granulierung vom Labor in eine Technikums- oder auch großtechnische Anwendung prinzipiell möglich ist.

Es wurden die Zusammenhänge zwischen den Herstellungsbedingungen und dem nanostrukturellen Aufbau von Multischichten, mit Rücksicht auf das mechanische Verhalten aufgeklärt. Dazu wurden durch plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung (PACVD) Hartmetallsubstrate mit Viellagen beschichtet und vorrangig mittels analytischer Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) charakterisiert. Als Schichkomponenten wurden hauptsächlich TiN und Al2O3 untersucht, daneben aber auch Schichtsysteme der Komponenten AlON, (TiAl)N, und (Ti,Al)ON. Darüber hinaus wurden noch TiC-aC (TiC mit amorphem Kohlenstoffanteil)-Schichten einbezogen. Ziel waren gleichmäßige Multischichten mit Korngrößen von einigen Nanometern, geringer Testur und geringer Mikrorissdichte, die hart sind und gut haften. Die TEM-Untersuchungen dienten insbesondere der Aufklärung der Nanostruktur in den Interface-Bereichen der Schichtsysteme, wobei an Hand der Elektronenenergie-Verlustspektroskopie (EELS) sowohl element- als auch phasenspezifische Signale ausgewertet wurden. Zur verbesserten Bewertung der anfallenden Datenmengen wurden z. T. faktoranalytische Methoden eingesetzt. Je nach Prozessführung der Schichtherstellung kommt es in den Interface-Bereichen zur Durchmischung der Komponenten. Insbesondere führt diffundierender Sauerstoff zur Bildung von TiO2, was sich nachteilig auf die Qualität der Schichten auswirkt. Die Tiefe der "gestörten" Zonen begrenzt die wünschenswerte Verringerung der Einzelschichtdicken. Als wirkungsvolle Gegenmaßnahme hat sich der Einbau von Kohlenstoff erwiesen, wodurch sich dünnere Einzelschichten verwirklichen lassen.