In der Arbeit werden Moeglichkeiten der Charakterisierung des Beschichtungsprozesses von C-Fasern mit pyro-Kohlenstoff vorgestellt. Dabei liegt der Schwerpunkt der Untersuchungen auf der ramanspektroskopischen Charakterisierung der Ober- flaechenstruktur von modifizierten Fasern. Die Unter- suchungen zeigen den Einfluss verschiedener Prozessparameter (Reaktortemperatur, Gasphasenkonzentration, Auswahl des jeweiligen Precursors etc.) auf die Oberflaechenstruktur der abgeschiedenen Schichten. Der Nachweis einer Vorzugsorientierung der Graphitmikro- kristallite auf der Faseroberflaeche wird mit verschiedenen Analysenmethoden durchgefuehrt. Dabei werden die ramanspektroskopischen Messergebnisse mit Ergebnissen anderer Methoden (wie Elektronenbeugung und Elektronenmikroskopie) verglichen. Waehrend des Beschichtungsprozesses wird die Gasphasen- zusammensetzung im Reaktor analysiert. Das Zersetzungs- verhalten von unterschiedlichen Precursoren bei verschiedenen Temperaturen wird untersucht. Korrelationen zwischen den einzelnen Precursoren aufgezeigt.

Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Perylen-Derivate als Zwischenschichten in Ag/organischen Schichten/GaAs(100)-Heterostrukturen eingesetzt, um den Einfluss von unterschiedlichen chemischen Endgruppen auf die chemischen und strukturellen Eigenschaften beider Grenzflächen, sowie auf die Morphologie, Struktur und Kristallinität von organischen Schichten zu charakterisieren. Die molekularen Schichten von 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Dianhydrid (PTCDA) und Dimethyl-3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Diimid (DiMe-PTCDI) werden durch organische Molekularstrahldeposition (OMBD) im Ultrahochvakuum auf S-passivierten GaAs(100):2x1-Substraten hergestellt. Weiterhin wird der Einfluss des Substrats untersucht, indem PTCDA-Wachstum auf H-passiviertem Si(100):1x1 durchgeführt wird. Als Hauptcharakterisierungsmethode wird die Ramanspektroskopie eingesetzt. Diese ist eine nicht-destruktive Methode, die auch in situ Untersuchungen des Wachstumsprozesses ermöglicht. Die komplementäre Infrarotspektroskopie sowie die Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenbeugung (XRD) werden zur Ergänzung des Verständnisses der Heterostruktureigenschaften verwendet. Die Empfindlichkeit von Raman- und Infrarot-Spektroskopien auf die chemisch unterschiedlichen Endgruppen wird durch experimentelle Untersuchungen an PTCDA- und DiMe-PTCDI-Kristallen, beziehungsweise dicken Schichten und mit Hilfe theoretischer Berechnungen nachgewiesen. So wird zum ersten Mal eine vollständige Zuordnung der Schwingunsfrequenzen zu den internen Schwingungsmoden von DiMe-PTCDI vorgeschlagen. Im niedrigen Frequenzbereich der Ramanspektren werden die externen molekularen Schwingungsmoden, oder molekularen „Phononen“, die eine Signatur der Kristallinität darstellen, beobachtet. Die Phononen von DiMe-PTCDI werden in dieser Arbeit zum ersten Mal in einem Ramanexperiment beobachtet. Mittels resonanter Ramanspektroskopie wird die Detektion von C-H-Deformationsmoden und C-C-Streckmoden sogar im Sub-Monolagenbereich molekularer Bedeckung auf Halbleiteroberflächen möglich. Anhand dieser Ramanspektren konnte die Art der Wechselwirkung zwischen Molekülen und passivierten Oberflächen näher charakterisiert werden. Zusätzliche Information bringen die GaAs LO- und Plasmon-gekoppelten LO- Phononen, deren Intensitätsverhältnis im Ramanspektrum die Bandverbiegung im GaAs-Substrat widerspiegelt. Die Kristallinität der hergestellten organischen Schichten mit Dicken größer als 2 nm wird durch Beobachtung der molekularen „Phononen“ nachgewiesen. Als allgemeine Tendenz konnte bewiesen werden, dass mit steigender Substrattemperatur während des Wachstums größere Kristalldomänen entstehen. Weiterhin wird eine Methode vorgeschlagen, um den Anteil von zwei PTCDA- Kristallphasen mit ähnlichen Gitterparametern anhand der Raman- beziehungsweise XRD-Spektren zu bestimmen. Durch ihre sehr gute Ordnung können die DiMe-PTCDI- Schichten als Modellsystem dienen, um eine Methode zu entwickeln, die die Molekülorientierung im Bezug zum Substrat aus polarisationsabhängigen Raman- und Infrarotmessungen bestimmt. Bei der Metall-Bedampfung wird die Empfindlichkeit der Ramanstreuung an internen molekularen Schwingungsmoden von PTCDA und DiMe-PTCDI-Schichten durch oberflächenverstärkte Ramanstreuung (SERS) erhöht. Anhand der unterschiedlichen Signalverstärkungsmechanismen werden Informationen über die Ag/Molekül- Wechselwirkung und die Morphologie der Ag-Schichten abgeleitet.

Landlebende Pflanzen weisen differenzierte Gewebetypen auf, die neben der Aufrechterhaltung physiologischer Stoffwechselvorgänge äußeren mechanischen Belastungen standhalten müssen. Durch zweckmäßige Verteilung von Festigkeitsgeweben über den Sprossquerschnitt erlangen Pflanzen die notwendigen Versteifungen und Stabilitäten. Zur ortsaufgelösten Darstellung der unterschiedlichen Pflanzengewebe wird auf die Methode der Ramanspektroskopie zurückgegriffen. Dazu werden valide ramanspektroskopische Methoden entwickelt, die die Bestimmung der Cellulosekristallinität sowie die Quantifizierung des Lignins und der Hemicellulosen zum Ziel haben. Am Beispiel eines Pflanzenquerschnittes des Gemeinen Flachs Linum usitassimum werden die spektroskopischen Methoden angewandt und die Verteilung der unterschiedlichen Gewebetypen aufgezeigt und diskutiert.

Einwandige Kohlenstoffnanoröhrchen wurden aufgrund ihrer einzigartigen elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften 1991 in den Fokus der Forschung gerückt. In dieser Dissertation wird gezeigt, dass Ramanspektroskopie eine der besten Methoden ist, um die unterschiedlichen Eigenschaften der Nanoröhrchen wie ihren elektrischen Charakter (halbleitend oder metallisch), ihren Durchmesser, die Chiralität, Defekte oder auch Dotierung zu untersuchen. Die Charakterisierung dieser Eigenschaften wird sowohl für das reine Material als auch im elektrischen Bauteil, in diesem Fall einem Feldeffekttransistor, durchgeführt. Der erste Teil der Arbeit vermittelt einen Überblick und gibt eine Einführung in Ramanspektroskopie und in die Struktur von Kohlenstoffnanoröhrchen. Es wird erklärt, welche Eigenschaften speziell mit Hilfe von Position und Intensität der Raman-Modi untersucht werden können und welche Aussagen über die Eigenschaften getroffen werden können. Im experimentellen Teil der Arbeit wurde eine Methode entwickelt, die eine rückstandslose Abscheidung von Dünnschichten aus Kohlenstoffnanoröhrchen ermöglicht. Die Quantifizierung von Defekten wurde durch die in den untersuchten Proben vorhandenen metallischen und halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen ermöglicht. Mittels spitzenverstärkter Ramanspektroskopie wurden außerdem Defekte mit hoher Ortsauflösung (unterhalb von 10 nm) an einzelnen Nanoröhrchen charakterisiert. Der letzte Teil widmet sich den Eigenschaften in elektrische Bauteile, speziell Feldeffekttransistoren, die integrierten Kohlenstoffnanoröhrchen.:Bibliographische Beschreibung 3 Table of Contents 5 1 Introduction 7 2 Background 9 2.1 Structure of carbon nanotubes 9 2.2 Raman spectroscopy basics 10 2.3 Raman spectroscopy on graphene 14 2.4 Raman spectroscopy on carbon nanotubes 16 2.4.1 First-order Raman bands 18 2.4.2 Second-order Raman bands 20 2.5 How to analyze Raman spectra of single-wall carbon nanotubes 21 2.5.1 Diameter and chirality identification 22 2.5.2 Defect characterization 23 2.5.3 Doping and its connection to defects 25 2.5.4 Other effects that can cause frequency shifts 27 2.6 Tip-enhanced Raman spectroscopy 27 2.6.1 TERS experimental requirements 30 2.6.2 Tip and the signal enhancement 30 2.6.3 Brief summary of TERS on single-wall carbon nanotubes 31 3 Materials and Methods 33 3.1 Raman spectroscopy 33 3.2 Ion beam irradiation 34 3.3 SWCNT samples 35 3.4 SWCNT thin film preparation by vacuum filtration 36 3.5 Field effect transistor fabrication and electrical characterization 37 3.6 Tip-enhanced Raman spectroscopy 39 3.6.1 Preparation of the TERS tips 39 3.6.2 Instrumentation 39 3.6.3 SWCNT sample preparation 40 4 Preparation of carbon nanotube thin films 41 4.1 Removal of SDS 42 4.2 Removal of the density gradient medium 43 4.3 Summary 44 5 Quantifying defects in single-wall carbon nanotubes 45 5.1 Parameters of the defect creation 46 5.2 Reference measurement on ion irradiated graphite 47 5.3 Qualitative description of SWCNT defect development 48 5.3.1 Quantitative analysis of the SWCNT defects 57 5.3.2 Summary 59 6 Raman spectroscopy applied to investigate carbon nanotube transistors 61 6.1 Effect of chemical and thermal cleaning of SWCNTs 61 6.2 Effect of temperature and doping on SWCNTs in a Field-effect transistor 65 6.2.1 Investigation of temperature effect 66 6.2.2 In operando CNT-FET Raman spectroscopy measurement 67 6.3 Summary 71 7 TERS on SWCNTs 73 7.1 Preparation of TERS tips 73 7.1.1 Corrosion protection for silver TERS probes 73 7.2 Spatial resolution 76 7.3 Raman spectra of an individual nanotube at the nanoscale 77 7.4 Summary 81 8 Conclusions 83 References 85 Acknowledgement 97 Selbstständigkeitserklärung 99 Lebenslauf 101 Publication list 103

Spinal cord injury (SCI) triggers several lipid alterations in nervous tissue. It is characterized by extensive demyelination and the inflammatory response leads to accumulation of activated microglia/macrophages, which often transform into foam cells by accumulation of lipid droplets after engulfment of the damaged myelin sheaths. Using an experimental rat model, Raman microspectroscopy was applied to retrieve the modifications of the lipid distribution following SCI. Coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) and endogenous two-photon fluorescence (TPEF) microscopies were used for the detection of lipid-laden inflammatory cells. The Raman mapping of CH2 deformation mode intensity at 1440 cm−1 retrieved the lipid-depleted injury core. Preserved white matter and inflammatory regions with myelin fragmentation and foam cells were localized by specifically addressing the distribution of esterified lipids, i.e., by mapping the intensity of the carbonyl Raman band at 1743 cm−1, and were in agreement with CARS/TPEF microscopy. Principal component analysis revealed that the inflammatory regions are notably rich in saturated fatty acids. Therefore, Raman spectroscopy enabled to specifically detect inflammation after SCI and myelin degradation products.

Die Ramanspektroskopie (RS) ist eine analytische Technik, die in Folge einer optischen Anregung eines Stoffes materialspezifische Informationen über dessen molekulare Schwingungen und Kristallstruktur liefert. Da sowohl Minerale als auch biologische Materialien untersucht werden können, ist die RS in der Weltraumforschung von besonderem Interesse. So werden im Jahr 2020 gleich zwei Marsrover (ExoMars und Mars 2020) Ramanspektrometer mitführen, deren Aufgabe unter anderem die Detektion von Spuren von vergangenem oder gegenwärtigem extraterrestrischen Leben sein wird. Die Charakterisierung von stark lumineszierenden biologischen Proben und Mineralen stellt eine der größten Herausforderungen in der konventionellen RS dar. Daher beschäftigt sich diese Dissertation mit dem Problem der Lumineszenz in der RS. Dazu wird das Potenzial von fünf verschiedenen ramanspektroskopischen Techniken zur Handhabung der Lumineszenz evaluiert. Diese Techniken beinhalten (i) die Auswahl von verschiedenen Anregungswellenlängen (325 nm, 532 nm, 785 nm, 1064 nm), welche auf dem Konzept der spektralen Trennung des Lumineszenz- und Ramansignals basiert. (ii) Eine Alternative ist das Photobleichen, wobei die Lumineszenz durch eine lange Belichtungszeit unterdrückt wird. (iii) Eine weitere Methode für die spektrale Separation von Raman- und Lumineszenzphotonen ist die anti-Stokes RS. (iv) Bei der SERDS Technik werden zwei leicht verschobene Anregungswellenlängen verwendet. (v) Abschließend erfolgt die Untersuchung der Streu- und Emissionsstrahlung in der Zeitdomäne. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass es keine universelle Lösung gibt um das Problem der Lumineszenz in der RS zu überwinden. Allerdings weist die Verwendung unterschiedlicher Laserwellenlängen großes Potenzial für die erfolgreiche Handhabung der Lumineszenz in der RS auf. In Kombination mit SERDS und/oder Photobleichen steigt die Wahrscheinlichkeit verwertbare Spektren für die Probencharakterisierung zu erhalten. / Raman spectroscopy (RS) is an analytical technique conveying material-specific information about a material’s molecular vibrations and crystal structure in succession of an optical excitation of the material. Due to the fact that mineralogical as well as biological material can be examined, RS is of special interest for space research. For instance, two Mars rovers (ExoMars and Mars 2020) will each carry along a Raman spectrometer in the year 2020, with the aim of detecting inter alia traces of extant or extinct extraterrestrial life. One of the biggest challenges in conventional RS is the characterization of strongly luminescent biological or mineralogical material; therefore, the dissertation at hand deals with the problem of luminescence in RS. For this purpose, the potential of five different Raman spectroscopic techniques for the handling of luminescence will be evaluated. These techniques include (i) the selection of different excitation wavelengths (325 nm, 532 nm, 785 nm and 1064 nm), which is based on the concept of the spectral separation of the luminescence signals as well as Raman signals. (ii) Photobleaching provides an alternative whereby the luminescence is suppressed by long exposure. (iii) A further method for the spectral separation of Raman photons as well as luminescence photons is provided by the anti-Stokes RS. (iv) The SERDS technique uses two slightly shifted excitation wavelengths. (v) Finally the examination of inelastic scattering and emission takes place in the time domain. The results of this dissertation show that there is no universal solution to overcome the problem of luminescence in RS. However, the usage of different excitation wavelengths offers great potential for handling luminescence in RS successfully. In combination with SERDS and/or photobleaching the probability to obtain exploitable spectra for sample characterization increases

Gegenstand dieser Arbeit war: - die Optimierung und Modellierung des CVD-Wachstums von Fe-gefüllten CNTs aus Ferrocen, - die Auswahl geeigneter Schichtsysteme für das orientierte Wachstum Fe-gefüllter CNTs, - eine umfassende Charakterisierung der Nanostrukturen und deren Bezug zu den Wachstumsparametern, - die Formulierung eines allgemeingültigen Wachstumsmodels. Es wurde eine Anlage zur thermisch induzierten chemischen Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck verwendet. Im Mittelpunkt der Syntheseexperimente standen Fe-gefüllte MWCNTs. Als Precursoren dienten Ferrocen und Cyclopentadienyl-eisen-dicarbonyl-dimer. Für die Darstellung von CNT-Ensembles mit idealerweise paralleler Ausrichtung der Einzelindividuen kamen thermisch oxidierte Si-Substrate (Schichtdicke des Oxid: 1 µm) zum Einsatz. Das Wachstum der CNTs wurde überwiegend als cokatalysierter Prozess durchgeführt, d.h. neben dem Fe aus dem Precursor dienten dünne Metallschichten (Fe, Co, oder Ni, Schichtdicke ≤ 10 nm), die auf den Substraten deponiert waren, als Katalysatorreservoir. Zunächst ging es darum den CVD-Prozess hinsichtlich tubularer CNTs mit senkrechter Vorzugsorientierung zur Substratoberfläche, einer guten Kristallinität der Hülle, sowie einem hohen Füllungsanteil der ferromagnetischen α-Fe-Phase zu überprüfen. Generell ließ sich die Abscheidung gefüllter CNTs für mittlere Substrattemperaturen im Bereich von 1013 – 1200 K durchführen. Die optimale Wachstumstemperatur lag bei ≈ 1103 K. Mit den beiden Precursoren - Ferrocen und Cyclopentadienyl-eisen-dicarbonyl-dimer ließen sich Fe-gefüllte CNTs in guter Qualität darstellen. Letztere Verbindung verringerte die Abscheidung von amorphem Kohlenstoff auf der CNT-Oberfläche, barg allerdings die Nachteile einer Sauerstoffkontamination und höherer Verdampfungs-temperaturen in sich. Aus der Vielzahl von Experimenten konnte abgeleitet werden, dass die Haupteinflussgrößen für den Innen- und Außendurchmesser der CNTs die Katalysatorschicht auf dem Substrat, die Synthesetemperatur und der Precursormassenstrom sind. Höhere Temperaturen und/oder ein Mehrangebot an Precursor äußerten sich stets in größeren Durchmessern. Zusätzliche Metallschichten auf den oxidierten Si-Substraten erlaubten eine gezielte Durchmesservariation. Beispielsweise zeigte sich an Substraten mit 2 nm Fe bzw. 2 nm Ni, dass sich die mittleren CNT-Außendurchmesser gegenüber dem auf unbeschichteten Substraten (34 nm) zu 44 nm bzw. 30 nm verändern lässt. Mit Al-Zwischenschichten konnten sogar Durchschnittswerte für den CNT-Außendurchmesser von 18 nm erzielt werden. Durch Röntgenstrukturuntersuchungen und Mössbaueranalysen an CNT-Ensembles wurde α-Fe als Hauptbestandteil der Füllung identifiziert. Auf den hohen Anteilen der α-Fe-Phase beruhte auch das magnetische Verhalten der Nanodrähte. Ein Beleg für die Schlüsselrolle des Systems Fe-C während des Wachstumsprozesses war die Phase Fe3C, mit orthorhombischer Struktur. Weniger häufig ließ sich γ-Fe nachweisen. Darüber hinaus konnten sämtliche CNT-Füllungen mittels SAED und HRTEM als Einkristalle charakterisiert werden. Die innerhalb der CNTs eingeschlossenen Fe- oder Fe-C-Nanodrähte wiesen außerdem keine kristallographische(n) Vorzugsrichtung(en) gegenüber den CNT-Wänden auf. Anhand der experimentellen Befunde war es möglich ein phänomenologisches Wachstumsmodell vorzuschlagen, welche eine Erweiterung des VLS-Mechanismus darstellt. Das in der vorliegenden Arbeit vorgestellte Modell greift das base-growth-Konzept auf und favorisiert die Akkumulation von Katalysatormaterial über die geöffneten Enden der CNTs. Eine genauere kinetische und thermodynamische Beschreibung war aufgrund der im Nanometerbereich nur schwer zugänglichen Stoffdaten nicht möglich.

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In order to provide an alternative to day-old chick culling in the layer hatcheries, a noninvasive method for egg sexing is required at an early stage of incubation before onset of embryo sensitivity. Fluorescence and Raman spectroscopy of blood offers the potential for precise and contactless in ovo sex determination of the domestic chicken (Gallus gallus f. dom.) eggs already during the fourth incubation day. However, such kind of optical spectroscopy requires a window in the egg shell, is thus invasive to the embryo and leads to decreased hatching rates. Here, we show that near infrared Raman and fluorescence spectroscopy can be performed on perfused extraembryonic vessels while leaving the inner egg shell membrane intact. Sparing the shell membrane makes the measurement minimally invasive, so that the sexing procedure does not affect hatching rates. We analyze the effect of the membrane above the vessels on fluorescence signal intensity and on Raman spectrum of blood, and propose a correction method to compensate for it. After compensation, we attain a correct sexing rate above 90% by applying supervised classification of spectra. Therefore, this approach offers the best premises towards practical deployment in the hatcheries.