Im Rahmen dieser Arbeit werden ein- und mehrkernige Cu(II)- und Ni(II)-bis(oxamato)-Komplexe im Hinblick auf ihre magneto-optischen Eigenschaften gezielt hergestellt und strukturell charakterisiert. Über ladungs- und übergangsmetallinduzierte Abweichungen vom allgemeinen in der Literatur beschriebenen Reaktionsverhalten wird berichtet. Aus Elektronenspinresonanz-Untersuchungen wird die Spindichteverteilung in den einkernigen Cu(II)-Komplexen abgeleitet. Die Beeinflussung dieser durch die Koordinationsgeometrie sowie die Auswirkungen auf die Superaustausch-Wechselwirkung werden diskutiert und mit Ergebnissen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) verglichen. Dreikernige bis(oxamato)-Komplexe werden erstmals durch Spin-Coating auf Si(111)-Substraten aufgebracht und mit Hilfe der spektroskopischen Ellipsometrie sowie der Ramanspektroskopie untersucht und mittels DFT-Berechnungen ausgewertet. Magneto-optische Kerr-Effekt-Untersuchungen werden an dünnen Schichten dieser Komplexe sowie Phthalocyaninen durchgeführt. Zum Vergleich werden die magnetischen und magneto-optischen Eigenschaften von Ni-Nanopartikeln in verschiedenen organischen Matrizen untersucht. Mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie wird das Oxidationsverhalten dieser studiert und es werden Rückschlüsse auf Ladungstransferprozesse zwischen den Matrizen und den Nanopartikeln gezogen.

Die Schwingungsspektroskopie, besonders die Raman-Spektroskopie, stellt ein wichtiges Werkzeug für Untersuchungen von Biomineralien dar. Raman-Spektroskopie wurde zur Untersuchung der organischen und anorganischen Bestandteile von Schwammskeletten eingesetzt. Die Raman-Spektroskopie trug auch zur Charakterisierung von biomimetischen Silikat-Präzipitaten bei. Durch ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie konnte erstmalig die Verteilung von organischem Material in den extrahierten Silikatzellwänden von Kieselalgen nachgewiesen werden. Die ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie wurde ebenfalls zur Untersuchung des SERS-Effekts an Zellwänden von Kieselalgen an die Silber-Nanopartikel gekoppelt waren eingesetzt.

Mars is one of the best candidates among planetary bodies for supporting life. The presence of water in the form of ice and atmospheric vapour together with the availability of biogenic elements and energy are indicators of the possibility of hosting life as we know it. The occurrence of permanently frozen ground – permafrost, is a common phenomenon on Mars and it shows multiple morphological analogies with terrestrial permafrost. Despite the extreme inhospitable conditions, highly diverse microbial communities inhabit terrestrial permafrost in large numbers. Among these are methanogenic archaea, which are anaerobic chemotrophic microorganisms that meet many of the metabolic and physiological requirements for survival on the martian subsurface. Moreover, methanogens from Siberian permafrost are extremely resistant against different types of physiological stresses as well as simulated martian thermo-physical and subsurface conditions, making them promising model organisms for potential life on Mars. The main aims of this investigation are to assess the survival of methanogenic archaea under Mars conditions, focusing on methanogens from Siberian permafrost, and to characterize their biosignatures by means of Raman spectroscopy, a powerful technology for microbial identification that will be used in the ExoMars mission. For this purpose, methanogens from Siberian permafrost and non-permafrost habitats were subjected to simulated martian desiccation by exposure to an ultra-low subfreezing temperature (-80ºC) and to Mars regolith (S-MRS and P-MRS) and atmospheric analogues. They were also exposed to different concentrations of perchlorate, a strong oxidant found in martian soils. Moreover, the biosignatures of methanogens were characterized at the single-cell level using confocal Raman microspectroscopy (CRM). The results showed survival and methane production in all methanogenic strains under simulated martian desiccation. After exposure to subfreezing temperatures, Siberian permafrost strains had a faster metabolic recovery, whereas the membranes of non-permafrost methanogens remained intact to a greater extent. The strain Methanosarcina soligelidi SMA-21 from Siberian permafrost showed significantly higher methane production rates than all other strains after the exposure to martian soil and atmospheric analogues, and all strains survived the presence of perchlorate at the concentration on Mars. Furthermore, CRM analyses revealed remarkable differences in the overall chemical composition of permafrost and non-permafrost strains of methanogens, regardless of their phylogenetic relationship. The convergence of the chemical composition in non-sister permafrost strains may be the consequence of adaptations to the environment, and could explain their greater resistance compared to the non-permafrost strains. As part of this study, Raman spectroscopy was evaluated as an analytical technique for remote detection of methanogens embedded in a mineral matrix. This thesis contributes to the understanding of the survival limits of methanogenic archaea under simulated martian conditions to further assess the hypothetical existence of life similar to methanogens on the martian subsurface. In addition, the overall chemical composition of methanogens was characterized for the first time by means of confocal Raman microspectroscopy, with potential implications for astrobiological research. / Der Mars ist unter allen Planeten derjenige, der aufgrund verschiedener Faktoren am wahrscheinlichsten Leben ermöglichen kann. Das Vorhandensein von Wasser in Form von Eis und atmosphärischem Dampf zusammen mit der Verfügbarkeit biogener Elemente sowie Energie sind Indikatoren für die Möglichkeit, Leben, wie wir es kennen, zu beherbergen. Das Auftreten von dauerhaft gefrorenen Böden, oder auch Permafrost, ist ein verbreitetes Phänomen auf dem Mars. Dabei zeigen sich vielfältige morphologische Analogien zum terrestrischen Permafrost. Permafrostgebiete auf der Erde, welche trotz extremer, Bedingungen durch eine große Zahl und Vielfalt mikrobieller Gemeinschaften besiedelt sind, sind hinsichtlich möglicher Habitate auf dem Mars die vielversprechendste Analogie. Die meisten methanogenen Archaeen sind anaerobe, chemolithotrophe Mikroorganismen, die auf der Marsoberfläche viele der metabolischen und physiologischen Erfordernisse zum Überleben vorfinden. Methanogene Archaeen aus dem sibirischen Permafrost sind zudem extrem resistent gegenüber unterschiedlichen Formen von physiologischem Stress sowie simulierten thermo-physikalischen Marsbedingungen. Die Hauptziele dieser Untersuchung bestehen darin, das Überleben der methanogenen Archaeen unter Marsbedingungen zu beurteilen, wobei der Fokus auf methanogenen Archaeen aus dem sibirischen Permafrost liegt, sowie deren Biosignaturen mit Hilfe der Raman-Spektroskopie zu charakterisieren, einer starken Technologie zur mikrobiellen Identifikation, welche bei der ExoMars-Mission zum Einsatz kommen wird. Zu diesem Zweck wurden methanogene Archaeen aus dem sibirischen Permafrost sowie aus Nicht-Permafrost-Habitaten in Simulationen Marsbedingungen ausgesetzt, wie Austrocknung durch Langzeitversuche bei ultraniedrigen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt (-80ºC), Mars-analogen Mineralien (S-MRS und P-MRS) sowie einer Marsatmosphäre. Weiterhin wurden die Kulturen verschiedenen Konzentrationen von Magnesiumperchlorat, einem starken Oxidant, der im Marsboden nachgewiesenen wurde, ausgesetzt. Ferner wurden die Biosignaturen einzelner Zellen der methanogenen Archaeen mit Hilfe der konfokalen Raman-Mikrospektroskopie (CRM) charakterisiert. Die Ergebnisse zeigten für alle untersuchten methanogenen Stämme Überleben und Methanbildung, nachdem diese simulierten Austrocknungsbedingungen ausgesetzt worden waren. Nach Versuchen mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zeigten die Stämme aus dem sibirischen Permafrost eine schnellere Wiederaufnahme der Stoffwechseltätigkeit, wohingegen bei den Referenzorganismen aus Nicht-Permafrost-Habitaten die Zell¬membranen im größeren Ausmaß intakt blieben. Der Stamm Methanosarcina soligelidi SMA-21 aus dem sibirischen Permafrost zeigte nach dem Belastungstest mit Marsboden und Mars-analoger Atmosphäre signifikant höhere Methanbildungsraten. Zudem überlebten alle untersuchten Stämme die Zugabe von Magnesiumperchlorat in der entsprechenden Konzentration, die auf dem Mars vorkommt. Weiterhin konnten durch die Raman-Spektroskopie beachtliche Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung zwischen methanogenen Archaeen aus Permafrost- und Nicht-Permafrost-Habitaten, trotz ihrer phylogenetischen Verwandtschaft, ermittelt werden. Die Konvergenz der chemischen Zusammensetzung der Permafrost-Stämme könnte das Resultat ihrer Anpassung an die Umgebung sein, was auch die Unterschiede hinsichtlich ihrer Resistenz verglichen mit Nicht-Permafrost-Stämmen erklären könnte. Als Teil dieser Studie wurde die Raman-Spektroskopie als Analyse-Technik zur Ferndetektion von methanogenen Archaeen, welche in eine Mineral-Matrix eingebettet sind, evaluiert. Diese Dissertation trägt zu einem besseren Verständnis hinsichtlich der Grenzen für ein Überleben von methanogenen Archaeen unter simulierten Marsbedingungen bei und damit zu einer Beurteilung der Hypothese, ob es ähnliches Leben unter der Marsoberfläche geben könnte. Darüber hinaus wurde erstmalig die chemische Zusammensetzung von methanogenen Archaeen mit Hilfe der Raman-Mikrospektroskopie charakterisiert. Dieser Technologie kommt eine wesentliche Bedeutung für weitere Forschungstätigkeit in der Astrobiologie zu.

Hydroxylapatite (HA) is a frequently used bioceramic material for replacement of bone matter subjected to low loading conditions, for osseoconductive coatings on implants and for utilisation as a drug carrier. Plasma spraying is widely used to coat hydroxylapatite onto titanium alloys in hip endoprostheses. However, the high temperature of the plasma jet changes the crystallinity and decomposes hydroxylapatite. This affects in turn its bioconductivity. In this study, HA was coated onto Ti6Al4V substrates by atmospheric plasma spraying (APS). Also, a bionert TiO2 bond coat was applied between the HA coating and the titanium alloy. By means of some sensitive analytical techniques, notably nuclear magnetic resonance (NMR) and Raman spectroscopy, the structural decomposition of HA during plasma-spraying and the in vitro reconstruction mechanisms of distorted (oxy)hydroxylapatite to well-ordered hydroxylapatite were investigated. The advantages of such a bond coat were also shown.

Die Schwingungsspektroskopie, besonders die Raman-Spektroskopie, stellt ein wichtiges Werkzeug für Untersuchungen von Biomineralien dar. Raman-Spektroskopie wurde zur Untersuchung der organischen und anorganischen Bestandteile von Schwammskeletten eingesetzt. Die Raman-Spektroskopie trug auch zur Charakterisierung von biomimetischen Silikat-Präzipitaten bei. Durch ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie konnte erstmalig die Verteilung von organischem Material in den extrahierten Silikatzellwänden von Kieselalgen nachgewiesen werden. Die ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie wurde ebenfalls zur Untersuchung des SERS-Effekts an Zellwänden von Kieselalgen an die Silber-Nanopartikel gekoppelt waren eingesetzt.

Mikroplastik (Kunststoff-Partikel < 5 mm) wurde in den vergangenen Jahren vermehrt in verschiedenen marinen Ökosystemen nachgewiesen und erreicht regelmäßig wissenschaftliche und öffentliche Aufmerksamkeit. Es wird als potentielle Gefahr für die marine Umwelt angesehen. Aufgrund der geringen Größe kann Mikroplastik von marinen Organismen mit der Nahrung verwechselt werden und infolge dessen in den Magen-Darm-Trakt gelangen. Ob die so aufgenommenen Partikel zu einer Schädigung der Organismen führen und welche Wirkungsmechanismen dabei eine Rolle spielen, ist derzeit noch nicht umfassend geklärt. In diesem Zusammenhang wird Mikroplastik beispielsweise als Transportvehikel für enthaltene Kunststoffadditive, für adsorbierte persistente organische Schadstoffe sowie für potentiell pathogene Mikroorganismen diskutiert. Für eine Risikobewertung sind in erster Linie zuverlässige Daten über die Mikroplastik-Gehalte in verschiedenen Umweltkompartimenten nötig. Dazu werden geeignete und sichere analytische Verfahren zur Identifizierung und Quantifizierung von Mikroplastik in Umweltproben benötigt. Ziel dieser Arbeit war es bestehende Wissenslücken im Bereich der Mikroplastik-Analytik zu schließen und Möglichkeiten und Grenzen der FTIR- und Raman-Spektroskopie für die analytische Untersuchung von marinen Mikroplastik-Proben aufzuzeigen. Dazu wurde zunächst ein Filtersubstrat entwickelt, das für eine umfassende Untersuchung von filtrierten Mikroplastik-Proben sowohl mittels Transmission FTIR- als auch mittels Raman-Mikroskopie geeignet ist. Des Weiteren wurde Raman Imaging als neuartige Methode zur Identifizierung von Mikroplastik etabliert und hinsichtlich verschiedener Messparameter optimiert. Die Anwendbarkeit dieses neuen Analyseansatzes wurde an realen Umweltproben gezeigt. Beide spektroskopische Verfahren (IR und Raman) wurden anhand von Modellproben und realen Umweltproben miteinander verglichen und validiert. Zusätzlich dazu wurden die spektroskopischen Ergebnisse an ausgewählten Proben mit der thermoanalytischen py-GC/MS-Methode verglichen und beurteilt. Im dritten Teil der Arbeit wurden die Mikroplastik-Gehalte in Sedimentproben aus dem Mündungsbereich der Warnow, einem bedeutenden Zufluss zur Ostsee, bestimmt. Dabei wurden lokale Eintragspfade abgeschätzt sowie Senke von Mikroplastik identifiziert.:1 Motivation und Zielstellung 2 Wissenschaftlicher Hintergrund 3 Experimenteller Teil 4 Ergebnisse und Diskussion 5 Zusammenfassung und Ausblick Anhang Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Danksagung Publikationsliste Versicherung

Die Schwingungsspektroskopie ist ein etabliertes Verfahren in der Materialwissenschaft sowie in der biomedizinischen Forschung zur Untersuchung von probenspezifischen Eigenschaften. Sie nutzt die Wechselwirkung von Licht (Photonen) mit Schwingungsquanten (Phononen) aus, um materialspezifische Informationen zu erlangen. Die Ramanspektroskopie ist sensitiv gegenüber optischen Phononen und findet seit der Erfindung des Lasers rege Verwendung. Im Gegensatz dazu untersucht die Brillouinspektroskopie die akustischen Phononen. Sie kam lange Zeit jedoch nur vereinzelt in der Materialwissenschaft zum Einsatz, da sie auf Grund der sequentiellen Spektrenaufnahme sehr zeitaufwendig war. Erst kürzlich konnte durch die Verwendung von einem virtually imaged phased array (VIPA) als dispersives Element im Brillouinspektrometer die Messzeit drastisch verkürzt werden, wodurch auch ein Einsatz in der biomedizinischen Forschung möglich ist. Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein kombiniertes Brillouin-Raman-System aufgebaut, welches eine zeitgleiche und ko-lokalisierte Aufnahme von Brillouin und Ramanspektren ermöglicht. Im Vergleich zu anderen Systemen, profitiert dieser Aufbau von der Verwendung zweier VIPAs mit unterschiedlichen freien Spektralbereichen was zu einer Entkopplung der spektralen Achsen und damit zu sensitiveren Messungen führt. Außerdem ermöglicht dies eine eineindeutige Bestimmung von Brillouin-Verschiebungen. Darüber hinaus zeichnen die nahinfrarote Anregung bei 780 nm und die kontinuierliche Kalibrierung des Brillouinspektrums dieses System aus. In einer ersten Anwendung wurden mit diesem kombinierten System ferroelektrische Domänenwände in periodisch gepoltem Lithiumniobat untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass neben dem aus der Literatur bekannten Raman-Kontrast (Intensitätsvariation bei 635 cm−1) auch das Brillouinspektrum einen Unterschied zwischen der Domänenwand und einer flächigen Domäne aufweist (Verringerung der Brillouin-Verschiebung). Es konnte gezeigt werden, dass bestehende Theorien für den Raman-Kontrast auch verwendet werden können, um den Brillouin-Kontrast zu erklären. Kombinierte Brillouin-Raman Messungen verdeutlichten, dass beide Kontraste zu Bildgebungszwecken genutzt werden können. In einer zweiten Anwendung, wurde das System dazu genutzt, die Tumorbiologie von Glioblastomzellen zu charakterisieren. Die Kombination der beiden spektroskopischen Methoden erlaubte es, die biochemischen mit den biomechanischen Eigenschaften zu korrelieren. So konnte ermittelt werden, dass der Zellkern die höchste Steifigkeit innerhalb einer adhärenten Zelle aufweist. Ein Vergleich zwischen adhärent und als Sphäroid gewachsenen Zellen offenbarte, dass letztere eine signifikant höhere Steifigkeit aufweisen, was bei der Wahl eines geeigneten Tumormodells berücksichtigt werden sollte. Darüber hinaus konnte anhand der klinisch bedeutsamen IDH1-mutation gezeigt werden, dass sich auch der Genotyp einer Zelle auf die Biomechanik auswirkt. Kombinierte Messungen an Sphäroiden wiesen darauf hin, dass sowohl Proteine sowie indirekt auch Lipide maßgeblich die biomechanischen Eigenschaften beeinflussen. Die beiden Anwendungen verdeutlichen, welche Vorteile eine Kombination dieser beiden spektroskopischen Verfahren mit sich bringt. Ihre nicht-invasive, zerstörungs- und präparationsfreie Arbeitsweise bietet dabei die Grundlage für weitere Untersuchungen auch in anderen Anwendungsfelder. / Vibrational spectroscopy is an established technique in materials science as well as in biomedical research for the investigation of sample-specific properties. It exploits the interaction of light (photons) with vibrational quanta (phonons) to obtain material-characteristic information. Raman spectroscopy is sensitive to optical phonons and has been used extensively since the invention of lasers. In contrast, Brillouin spectroscopy investigates acoustic phonons. However, for a long time it was only used sporadically in materials science as it was very time-consuming due to the sequential spectrum acquisition. Only recently, the use of a virtually imaged phased array (VIPA) as dispersive element in the Brillouin spectrometer has drastically reduced the measurement time, thus facilitating its application in biomedical research. In this dissertation, a combined Brillouin-Raman system was built, which allows simultaneous and co-localized acquisition of Brillouin and Raman spectra. Compared to other systems, this setup benefits from the use of two VIPAs with different free spectral ranges, which leads to a decoupling of the spectral axes and thus to more sensitive measurements. It further allows for an unambiguous determination of Brillouin shifts. Moreover, the near-infrared excitation at 780 nm and the continuous calibration of the Brillouin spectrum characterize this system. In a first application, ferroelectric domain walls in periodically poled lithium niobate were studied with this combined system. It was found that, in addition to the Raman contrast known from literature (intensity variation at 635 cm−1), the Brillouin spectrum also shows a difference between the domain wall and a bulk domain (decrease of the Brillouin shift). It could be shown that existing theories for the Raman contrast can also be applied to explain the Brillouin contrast. Combined Brillouin-Raman measurements demonstrated that both contrasts can be used for imaging purposes. In a second application, the system was used to characterize the tumor biology of glioblastoma cells. The combination of the two spectroscopic methods allowed the biochemical properties to be correlated with the biomechanical properties. Thus, it could be determined that the nucleus has the highest stiffness within an adherent cell. A comparison between adherent cells and cells grown as spheroid revealed that the latter exhibit significantly higher stiffness, which should be taken into account when choosing a suitable tumor model. In addition, clinically relevant IDH1 mutation was used to show that the genotype of a cell also affects biomechanics. Combined measurements indicated that proteins as well as in an indirect way also lipids significantly influence biomechanical properties. These two applications illustrate the advantages of combining the two spectroscopic techniques. Their non-invasive, non-destructive and preparation-free operation provides the basis for further investigations also in other fields of application.

Raman spectroscopy is a powerful analytical method that allows deposited and/or immobilized cells to be evaluated without complex sample preparation or labeling. However, a main limitation of Raman spectroscopy in cell analysis is the extremely weak Raman intensity that results in low signal to noise ratios. Therefore, it is important to seize any opportunity that increases the intensity of the Raman signal and to understand whether and how the signal enhancement changes with respect to the substrate used. Our experimental results show clear differences in the spectroscopic response from cells on different surfaces. This result is partly due to the difference in spatial distribution of electric field at the substrate/cell interface as shown by numerical simulations. We found that the substrate also changes the spatial location of maximum field enhancement around the cells. Moreover, beyond conventional flat surfaces, we introduce an efficient nanostructured silver substrate that largely enhances the Raman signal intensity from a single yeast cell. This work contributes to the field of vibrational spectroscopy analysis by providing a fresh look at the significance of the substrate for Raman investigations in cell research.

Raman spectroscopy is a powerful analytical method that allows deposited and/or immobilized cells to be evaluated without complex sample preparation or labeling. However, a main limitation of Raman spectroscopy in cell analysis is the extremely weak Raman intensity that results in low signal to noise ratios. Therefore, it is important to seize any opportunity that increases the intensity of the Raman signal and to understand whether and how the signal enhancement changes with respect to the substrate used. Our experimental results show clear differences in the spectroscopic response from cells on different surfaces. This result is partly due to the difference in spatial distribution of electric field at the substrate/cell interface as shown by numerical simulations. We found that the substrate also changes the spatial location of maximum field enhancement around the cells. Moreover, beyond conventional flat surfaces, we introduce an efficient nanostructured silver substrate that largely enhances the Raman signal intensity from a single yeast cell. This work contributes to the field of vibrational spectroscopy analysis by providing a fresh look at the significance of the substrate for Raman investigations in cell research.

The commercial breakthrough of ZnO-based devices is hampered mainly by the unipolar n-type conductivity of this material. Hydrogen, which is known to form both electrically active and inactive complexes in ZnO, is considered as a main cause of this behavior. However, the existing literature is incomplete and partly contradictory. The object of the present thesis is a comprehensive investigation of the properties of two hydrogen-induced shallow donors HBC and HO, the hydrogen molecule H2, and a hydrogen-related defect, which gives rise to local vibrational modes (LVMs) at 3303 and 3320 cm-1, in ZnO and their interaction. The defects are characterized by Raman spectroscopy, infrared absorption spectroscopy, photoconductivtity (PC) and photoluminescence measurements. Based on the PC technique, a novel and highly sensitive spectroscopic approach is established, which is applicable for probing LVMs in strongly absorbing spectral regions. This technique enables the detection of the local modes of HO at 742 and 792 cm-1 in the neutral charge state. In consequence, earlier theoretical predictions regarding the microscopic structure of this shallow donor can be verified. In Raman measurements the electronic 1s→2s transition of HO is identified at 273 cm-1. This quantity is found to blue-shift with the HO defect concentration. A similar blue-shift of the 1s→2s(2p) donor transition of HBC is assigned to local lattice strain which was generated during high temperature processes. A Raman study of the H2 molecule covers its formation, stability, lattice position and interplay with the ZnO host. In particular, the role of H2 for the continuous generation of HO and HBC and the related n-type behavior is elaborated. The analysis unambiguously confirms that the so-called “hidden hydrogen” species is indeed H2. Moreover, the observation of the ortho-para-conversion process and the coupling to the host phonons contribute to a general understanding of H2 in semiconductors. Experimental results of the LVMs of 3303 and 3320 cm-1 in conjunction with model calculations yield an underlying defect containing three hydrogen atoms. This complex Y–H3 exhibits two configurations, which differ only in the orientation of one chemical bond. The findings are consistent equally with a zinc vacancy decorated with three hydrogen atoms and an ammonia molecule, respectively. Earlier models proposed in the literature are discarded. Measurements of concentration profiles by using Raman spectroscopy reveal the local distribution of the hydrogen-related defects as well as lattice imperfections. At the surface, where oxygen vacancies are present, HO is identified as the dominant shallow donor. Below, in parts of the crystal with low damage, HBC is the prevalent defect. In the sample center, characterized by a significant amount of zinc vacancies, the concentrations of H2 and Y–H3 show their maxima. By recording concentration profiles after thermal treatments a spatially resolved investigation of the interplay of these hydrogen-related defects is possible. / Der kommerzielle Durchbruch von ZnO-basierten Bauelementen ist hauptsächlich durch die beständige n-Typ Leitung des Materials eingeschränkt. Wasserstoff, der sowohl elektrisch aktive als auch inaktive Komplexe in ZnO formt, gilt als ein Hauptverursacher dieses Verhaltens. Jedoch ist die bestehende Literatur zu derartigen Defekten unvollständig, teils auch widersprüchlich. Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind umfassende Untersuchungen der beiden wasserstoffinduzierten Donatoren HBC und HO, des Wasserstoffmoleküls H2 und eines Wasserstoffdefekts mit lokalen Schwingungsmoden (LSMn) bei 3303 und 3320 cm-1 in ZnO hinsichtlich ihrer Eigenschaften und gegenseitigen Wechselwirkung. Die Charakterisierung der Komplexe erfolgt mit Hilfe von Raman-Spektroskopie, Infrarot-Absorptionsspektroskopie, Photoleitfähigkeits- (PC) und Photolumineszenzmessungen. Basierend auf der PC Technik wird eine neuartige, hochsensitive Spektroskopiemethode etabliert, welche auch in stark absorbierenden Spektralbereichen anwendbar ist. Diese Technik ermöglicht erstmals die Detektion der LSMn von HO bei 742 und 792 cm-1 im neutralen Ladungszustand. Das experimentelle Ergebnis verifiziert theoretische Vorhersagen zur mikroskopischen Struktur dieses flachen Donators. In Raman-Messungen wird der elektrische 1s→2s Übergang von HO bei 273 cm-1 identifiziert und eine Blauverschiebung dieser Größe mit zunehmender HO-Konzentration beobachtet. Der Donator HBC zeigt ebenfalls eine Blauverschiebung des elektrischen 1s→2s(2p) Übergangs, welche durch lokale Gitterverzerrungen nach Hochtemperaturbehandlungen bedingt ist. Eine Raman-Studie charakterisiert das H2-Molekül in Bezug auf seine Bildung, Stabilität, Gitterposition und die Wechselwirkung mit dem ZnO-Kristall. Insbesondere wird seine Rolle für die fortwährende Bildung der Donatoren HO und HBC und des damit verbundenen n-Typ Verhaltens herausgearbeitet. Die Analyse ergibt die eindeutige Identifizierung der in der Literatur mit „hidden hydrogen“ bezeichneten Spezies als H2. Darüber hinaus tragen die beobachteten Umwandlungsprozesse zwischen ortho-H2 und para-H2 sowie die Kopplung an das Phononenspektrum zu einem generellen Verständnis von Wasserstoffmolekülen in Halbleitern bei. Die experimentellen Ergebnisse der LSMn bei 3303 und 3320 cm-1 in Kombination mit Modellrechnungen ergeben einen zugrundeliegenden Defekt mit drei Wasserstoffatomen. Dieser Komplex Y–H3 weist zwei Konfigurationen auf, welche sich durch die Orientierung von nur einer chemischen Bindung unterscheiden. Die Beobachtungen sind mit einer Zinkvakanz besetzt mit drei Wasserstoffatomen bzw. einem Ammoniakmolekül als mikroskopische Struktur gleichermaßen erklärbar. Bisherige Modelle aus der Literatur können damit widerlegt werden. Messungen von Konzentrationsprofilen mit Raman-Spektroskopie offenbaren die lokale Verteilung der Wasserstoffdefekte sowie von Gitterstörungen. An der Oberfläche, im Beisein von Sauerstoffvakanzen, ist HO der dominante flache Donator. In dem sich anschließenden ungestörten Kristallverbund ist hingegen der Donator HBC vorherrschend. In Zentrum, welches von Zinkvakanzen geprägt ist, sind die Konzentrationen von H2 und Y–H3 maximal. In Verbindung mit Temperaturbehandlungen ist eine räumlich aufgelöste Untersuchung der Wechselwirkung möglich.