The equiatomic FeRh alloy undergoes a first-order phase transition from an antiferromagnetic (AFM) to a ferromagnetic (FM) state at about 370 K with a small thermal hysteresis of about 10 K around the phase transition. The transition is accompanied by a unit cell volume expansion about 1% in the c lattice parameter. During the transition the new phase nucleates in the matrix of the original phase by reaching the critical temperature followed by a growth in size upon increasing temperature further. Therefore, to understand the transition process with more details, it is desirable to investigate the nucleation and growth of both phases within the first order phase transition. In the present thesis the main focus is on the growth of FeRh thin films by means of Molecular Beam Epitaxy (MBE) technique and characterization of the magnetic and structural properties. To develop an understanding of the phase transformation in FeRh thin films the ways in which one can tune it were investigated. The following aspects concerning the FeRh system have been examined here: 1) influence of annealing temperature on the magnetic and structural response, 2) effect of film thickness on the first-order phase transition temperature as well as the saturation magnetization, 3) influence of chemical composition on the magnetic properties and 4) magnetic field-induced phase transition. To get insight to details of the transition process the magnetization dynamic has been addressed by performing Ferromagnetic resonance (FMR) experiment across the phase transition. FMR measurements determined the existence of two areas with different magnetic properties inside the film. A huge temperature difference for the beginning of the phase transition in comparison with the static magnetization measurement was observed for the equiatomic FeRh thin film prepared by MBE. Tuning of the AFM to FM phase transition in the FeRh thin film by means of low-energy/low fluence Ne+ ion irradiation was studied. Ion irradiation technique offers a quantitative control of the degree of chemical disorder by adjusting the ion fluence applied, while the penetration depth of the disordered phase can be adjusted by the ion-energy. The main results of ion irradiation are the shifting of the phase transition temperature to lower temperature and irradiation with 3×1014 ion/cm2 leads to the disappearance the AFM phase completely.

Unter Nutzung des Sol-Gel-Prozess von Siliciumalkoxiden wurden dünne Schichten präpariert. Um eine Funktionalisierung derartiger SiO2-Schichten zu erhalten, wurden einem auf Tetraethoxysilan basierenden Sol Aldehyde, Hydroxycarbonsäuren bzw. Amino-carbonsäuren zugesetzt. Alternativ zu Additiven wurden Alkyltriethoxysilane eingesetzt. Neue azomethinhaltige Siliciumprecursoren wurden synthetisiert und direkt oder im Gemisch mit Tetraethoxysilan hydrolisiert und auf ihre Eignung hinsichtlich der Schichtpräparation getestet. Der Einfluss der Modellsubstanzen auf die Kinetik des Sol-Gel-Prozesses, die Schichtzusammensetzung und die Schichteigenschaften, wird durch die Kombination spektroskopischer und oberflächen-analytischer Methoden aufgeklärt. Für eine Prüfung der erzielten Funktionalisierung wurden die verschieden modifizierten Solsysteme zur Immobilisierung des Enzyms Glucose-Oxidase eingesetzt und die erzielten Enzymaktivitäten systematisch verglichen.

In der Halbleitertechnik, wie auch in der chemischen Sensorik werden Metallstrukturen mit geringen Strukturbreiten auf Substratoberflächen mit sehr niedriger mittlerer Rauhtiefe (wie Glas bzw. polierten Siliziumeinkristallen) benötigt. Die für diesen Zweck industriell angewandten Verfahren sind solche, die mit einer Abscheidung aus der Gasphase arbeiten (PVD, CVD). In der vorgelegten Arbeit werden zwei Varianten zur Sensibilisierung von Silikatglasoberflächen mit Zinkoxid für das electroless plating von Nickel-Phosphor-Schichten beschrieben. Die Strukturierung erfolgte mit einem photolithographischen Prozess. Die so sensibilisierten Glasoberflächen wurden in einer sauren Palladiumchloridlösung aktiviert und in einer alkalischen Lösung mit Nickel-Phosphor metallisiert. Nach dem elektrolytischen Abscheiden einer Gold- bzw. Silberschicht sind elektrochemische Untersuchungen zur (Langzeit-)Stabilität der Schichtsysteme durchgeführt worden, in deren Verlauf der Nachweis der Eignung für den Einsatz als Elektroden in elektrochemischen Sensoren erbracht worden ist.

Im Rahmen der Dissertation wurden die Wechselwirkungen gasförmiger Enantiomere mit chiralen Rezeptorschichten thermodynamisch untersucht. Ziel war es, die thermodynamischen Daten, freie Enthalpie (ΔG), Enthalpie (ΔH) und Entropie (ΔS) des Absorptionsprozesses zu bestimmen. Die Ermittlung der enthalpischen Komponenten erfolgte mittels der am Institut für Physikalische Chemie weiterentwickelten IC-Kalorimetertechnik. Die absorbierte Stoffmenge kann mit Quarzmikrowaagen unter ähnlichen experimentellen Bedingungen wie am IC-Kalorimeter bestimmt werden. Als Stoffsysteme für erste Untersuchungen wurden die Enantiomere des Milchsäuremethylesters und des 2-Chlorpropionsäuremethylesters gewählt. Als chiraler Rezeptor fanden modifizierte γ-Cyclodextrine Verwendung. Die experimentellen Daten wurden mit einem Absorptionsmodell beschrieben, welches den Gesamtprozess in einen chiral-spezifischen und einen achiral-unspezifischen Anteil gliedert. Die so erhaltenen thermodynamischen Daten lieferten neue Erkenntnisse über die Wechselwirkungsmechanismen chiraler Gastmoleküle in Cyclodextrinen.

Design of 2D and 3D micropatterned materials is highly important for printing technology, microfluidics, microanalytics, information storage, microelectronics and biotechnology. Biotechnology deserves particular interest among the diversity of possible applications because its opens perspectives for regeneration of tissues and organs that can considerably improve our life. In fact, biotechnology is in constant need for development of microstructured materials with controlled architecture. Such materials can serve either as scaffolds or as microanalytical platforms, where cells are able to self-organize in a programmed manner. Microstructured materials, for example, allow in vitro investigation of complex cell-cell interactions, interactions between cells and engineered materials. With the help of patterned surfaces it was demonstrated that cell adhesion and viability as well as differentiation of stem cells1 depend of on the character of nano- and micro- structures 2 as well as their size. There are number of methods based on optical lithography, atomic force microscopy, printing techniques, chemical vapor deposition, which have been developed and successfully applied for 2D patterning. While each of these methods provides particular advantages, a general trade-off between spatial resolution, throughput, “biocompatibility of method” and usability of fabricated patterned surfaces exists. For example, AFM-based techniques allow very high nanometer resolution and can be used to place small numbers of functional proteins with nanometer lateral resolution, but are limited to low writing speeds and small pattern sizes. Albeit, the resolution of photolithography is lower, while it is much faster and cheaper. Therefore, it is highly desirable to develop methods for high-resolution patterning at reasonably low cost and high throughput. Although many approaches to fabricate sophisticated surface patterns exist, they are almost entirely limited to producing fixed patterns that cannot be intentionally modified or switched on the fly in physiologic environment. This limits the usability of a patterned surface to a single specific application and new microstructures have to be fabricated for new applications. Therefore, it is desirable to develop methods for design of switchable and rewritable patterns. Next, the high-energy of the ultraviolet radiation, which is typically used for photolithography, can be harmful for biological species. It is also highly important to develop an approach for photopatterning where visible light is used instead of UV light. Therefore, it is very important for biotechnological applications to achieve good resolution at low costs, create surface with switchable and reconfigurable patterns, perform patterning in mild physiologic conditions and avoid use of harmful UV light. 3D patterning is experimentally more complicated than 2D one and the applicability of available techniques is substantially limited. For example, interference photolithography allows fabrication of 3D structures with limited thickness. Two-photon photolithography, which allows nanoscale resolution, is very slow and highly expensive. Assembling of 3D structures by stacking of 2D ones is time consuming and does not allow fabrication of fine hollow structures. At the same time, nature offers an enormous arsenal of ideas for the design of novel materials with superior properties. In particular, self-assembly and self-organization being the driving principles of structure formation in nature attract significant interest as promising concepts for the design of intelligent materials 3. Self-folding films are the examples of biomimetic materials4. Such films mimic movement mechanisms of plants 5-7 and are able to self-organize and form complex 3D structures. The self-folding films consist of two materials with different properties. At least one of these materials, active one, can change its volume. Because of non-equal expansion of the materials, the self-folding films are able to form a tubes, capsules or more complex structure. Similar to origami, the self-folding films provide unique possibilities for the straightforward fabrication of highly complex 3D micro-structures with patterned inner and outer walls that cannot be achieved using other currently available technologies. The self-folded micro-objects can be assembled into sophisticated, hierarchically-organized 3D super-constructs with structural anisotropy and highly complex surface patterns. Till now most of the research in the field of self-folding films was focused on inorganic materials. Due to their rigidity, limited biocompatibility and non-biodegradability, application of inorganic self-folding materials for biomedical purposes is limited. Polymers are more suitable for these purposes. There are many factors, which make polymer-based self-folding films particularly attractive. There is a variety of polymers sensitive to different stimuli that allows design of self-folding films, which are able to fold in response to various external signals. There are many polymers changing their properties in physiological ranges of pH and temperature as well as polymers sensitive to biochemical processes. There is a variety of biocompatible and biodegradable polymers. These properties make self-folding polymer highly attractive for biological applications. Polymers undergo considerable and reversible changes of volume that allows design of systems with reversible folding. Fabrication of 3D structures with the size ranging from hundreds of nanometers to centimeters is possible. In spite of their attractive properties, the polymer-based systems remained almost out of focus – ca 15 papers including own ones were published on this topic (see own review 8, state October 2011). Thereby the development of biomimetic materials based on self-folding polymer films is highly desired and can open new horizons for the design of unique 3D materials with advanced properties for lab-on-chip applications, smart materials for everyday life and regenerative medicine.

Organische Solarzellen besitzen das Potential für leichte und zugleich flexible photovoltaische Anwendungen, die kostengünstig hergestellt werden können und damit einen Beitrag zur Verminderung der Emission von Kohlendioxid, Methan und Stickoxiden leisten können. Zur Herstellung von organischen Solarzellen werden nur geringe Mengen der organischen Materialien benötigt und die Prozessierung findet bei vergleichsweise geringen Temperaturen statt, was die Abscheidung auf z. B. Plastikfolie ermöglicht. Man unterscheidet drei Arten von organischen Solarzellen. Erstens, Solarzellen bestehend aus kleinen Molekülen, die im Vakuum durch Sublimation auf das Substrat abgeschieden werden. Zweitens, Polymersolarzellen, deren Schichten aus Lösung meist durch „spin-coating“ oder Druckverfahren präpariert werden. Und drittens, „dye-sensitized“ Solarzellen (auch Grätzel-Zellen), die aus einer porösen Schicht Titandioxid und einem flüssigen Elektrolyten für den Ladungsträgertransport bestehen. Diese Arbeit beschäftigt sich ausschließlich mit organischen Solarzellen aus kleinen Molekülen. Die höchsten erreichten Wirkungsgrade organischer Solarzellen aus kleinen Molekülen liegen derzeit bei etwa 5 % . Um die Effizienzen von Solarzellen aus kleinen Molekülen zu steigern, ist es einerseits notwendig das Verständnis der physikalischen und chemischen Prozesse innerhalb der Bauelemente genauer beschreiben zu können, andererseits werden neue Materialien mit optimierten Eigenschaften für die organische Photovoltaik benötigt. In dieser Arbeit wurden zwei Strategien zur Optimierung organischer Solarzellen verfolgt: • Durch die Optimierung des Versatzes der Energieniveaus der organischen Materialien konnte die Leerlaufspannung in einem Modellsystem maximiert werden. An diesem Modellsystem wurden der Ursprung der Leerlaufspannung und die Rekombinationsdynamik von photogenerierten Ladungsträgern untersucht. Bezüglich der Leerlaufspannung zeigen Solarzellen, deren photoaktive Materialien in einer Mischschicht vorliegen, im Vergleich zu Solarzellen, die eine photoaktive Doppelschicht beinhalten, fundamentale Unterschiede . • Des Weiteren wurden neue Thiophenderivate untersucht, die als aktive Materialien in organischen Solarzellen eingesetzt wurden. Durch elektronenziehende Endgruppen wurde das Ionisationspotential der Thiophenderivate abgesenkt und die optische Bandlücke verringert. Das Thiophenderivat DCV3T fungiert in Kombination mit herkömmlichen Donator-Materialien als Akzeptor. In Mischschichten aus DCV3T und C60 kommt es durch einen Hin- und Rücktransfer der Anregungsenergie zwischen den Materialien statt der Generation von freien Ladungsträgern zu einer Erhöhung der Triplett-Exzitonendichte auf DCV3T . Diese Exzitonen besitzen auf Grund der hohen Lebensdauer von Triplett-Exzitonen das Potential für eine erhöhte Exzitonendiffusionslänge, die in einem neuen Solarzellenkonzept ausgenutzt werden konnte . / Organic solar cells have the potential for light weight and flexible applications. They can be manufactured cost-effectively and can thus contribute to the reduction of the emission of carbon dioxide, methane and nitric oxides. In order to manufacture organic solar cells, only small amounts of organic materials are required. They can be processed at comparably low temperatures. Therefore, the fabrication on substrates like plastic foil is possible. Three different types of organic solar cells exist. The first kinds are solar cells prepared from small molecules that are manufactured via sublimation of the material in a vacuum. The second kind are polymer solar cells manufactured from solution by spin coating techniques or ink jet printing. And thirdly, dye sensitized solar cells - also known as Grätzel cells - consisting of a porous layer of titanium dioxide and most commonly a liquid electrolyte for the charge transport. This work deals exclusively with small molecule solar cells. The highest power conversion efficiencies reached by small molecule organic photovoltaics are now in the range of 5 %. In order to increase the efficiencies of solar cells prepared from small molecules, two major aspects must be developed. The understanding of the physical processes within the organic devices must be improved. And secondly, new materials are required with physical properties optimized for organic photovoltaics. In this work, I followed two strategies for optimizing organic solar cells: • By optimizing the offset of energy levels between donor and acceptor material, the open circuit voltage could be increased. In the investigated model system, the origin of the open circuit voltage and the recombination dynamics of photo generated charge carriers were analyzed. Concerning the open circuit voltage, solar cells consisting of a donor acceptor double layer structure, show fundamental differences to solar cells consisting of a donor acceptor blend. • Furthermore, new thiophene derivatives used as photoactive materials were investigated. By the attachment of electron withdrawing end groups, the ionization potential of the oligothiophenes is increased and the optical band gap is reduced at the same time. The investigated thiophene derivative DCV3T acts as an acceptor in combination with the commonly used donor-materials. A back- and forth-transfer of excitation energy is observed in blends of DCV3T and fullerene C60. In these blends, excitons are not separated into free charge carriers. This back and forth transfer leads to an enhancement of the density of triplet excitons on DCV3T. These excitons have a potentially high diffusion length due to the long lifetime of triplet excitons. This effect was utilized in the organic solar cells.

In der Arbeit wurde der Einfluss des Einsatzes ethoxylierter Sulfosuccinate auf die Weichheit kollagener Substrate untersucht. Als kollagene Substrate dienen chromiertes Hautpulver und chromgegerbte Leder (Wet-blue). Speziell dem Einfluss der Kettenlänge der Sulfosuccinate, dem Angebot und den Applikationsbedingungen auf die Isolierung der Fibrillen des Kollagens (durch REM-Aufnahme belegt) wurde dabei besondere Aufmerksamkeit gewidmet und das C14-ethoxylierte Sulfosuccinat als am geeignetsten erkannt. Anhand der Berechnung der Fettbedeckung der Kollagen-Strukturelemente, der kritischen Mizellbildungskonzentration der Sulfosuccinatlösungen sowie der Veränderung des isoelektrischen Punktes des Kollagens wurde die Ablagerung der Fettmoleküle diskutiert und das Auftreten von ionischen und hydrophoben Wechselwirkungen nachgewiesen. Die Ergebnisse sind ein Beitrag zur Theorie der Fettung von Kollagen und zur Optimierung der Lederfettung.

Den Kern der Untersuchungen bildete die Messung der mechanischen Spannungen in dünnen Kupferschichten während thermischer Zyklen und nach Belastung durch Vierpunktbiegung. Parallel dazu wurden Charakterisierungen der Korngröße, der Textur und korninnerer Defekte, inbesondere von Versetzungen durchgeführt. Bei den Spannungsmessungen fielen folgende Besonderheiten auf: (i) höhere Festigkeiten mit abnehmender Schichtdicke, (ii) hohe Verfestigungsraten bei der Abkühlung, (iii) Asymmetrie der Fließspannungen in Zug- und Druckrichtung und (iv) hohe Spannungen bei hohen Temperaturen. Da die klassischen Plastizitätsmodelle diese Besonderheiten zu erklären vermögen, wurden zwei neue Modelle entwickelt. Das erste beschreibt eine effektive Verfestigung auf der Basis elastischer Wechselwirkungen zwischen mobilen Versetzungen und sich an der Schicht/Substrat-Grenzfläche ansammelnder Versetzungen. Das zweite Modell bezieht sich auf das Korngrenzendiffusionskriechen und erklärt dessen Behinderung durch die unvollständige laterale elastische Relaxation auf einem Substrat haftender Körner. Das gesamte thermomechanische Verhalten kann nur aus dem Zusammenwirken verschiedener strukturbildender und Plastizitäts-Mechanismen beschrieben werden.

Superalloys are widely applied as materials for components in the hot section of gas turbines. As superalloys have a limited oxidation life, the application of a coating is vital. The most commonly applied coatings in stationary gas turbines are MCrAlY coatings. Since the turbine components are exposed to high cyclic thermal stresses, MCrAlY coatings must also show a high thermal fatigue resistance. In this thesis, the effect of Cobalt and Rhenium on microstructure, oxidation and thermal fatigue of NiCoCrAlY coatings is presented. Additionally the condition of the coatings after testing in an industrial gas turbine is shown. The influence of Cobalt and Rhenium on coating microstructure was investigated by thermodynamic modelling and by metallography. It could be shown that both elements reduce the γ`-phase fraction and increase the β-phase fraction owing to an expansion of the γ+β field in the phase diagram. Modelling showed that Rhenium promotes the formation of α-Cr, which could be explained by a shift of the α-Cr solvus to higher temperatures and lower Cr concentrations. In the real coatings Re causes the precipitation of TCP-phase. The oxide scale growth rate is increased by Cobalt and Rhenium and it appears that Yttrium plays a significant role for that effect. Coating consumption due to simultaneous oxidation and interdiffusion could be decreased by the application of Cobalt and Rhenium. In thermal fatigue testing Rhenium reduces the time to crack initiation and increases crack propagation rate, although it could be shown that Rhenium increases the creep resistance of the coating. The effect could be explained by the influence of Rhenium on the microstructure, which increases creep resistance, but also reduces the ductility of the coating.

In der vorliegenden Arbeit werden off-lattice Monte-Carlo-Simulationen von Systemen einfacher Tensidmodelle präsentiert. Die verwendeten Modellmoleküle bestehen aus einem hydrophilen Kopfsegment und zwei hydrophoben Kettensegmenten. Zwischen den Segmenten wurden square-well-Wechselwirkungen benutzt, um den Hydrophoben Effekt und andere Wechselwirkungen zu simulieren. Die Aggregation der Tensidmodelle wurde im Lösungsvolumen und an Feststoffoberflächen untersucht. In der Lösung wurden Kugelmicellen, Wurmmicellen, Bischichten und Vesikel beobachtet. Die Struktur der Aggregate wird bei der Adsorption an Feststoffoberflächen mit niedriger oder mittlerer Adsorptionsenergie nicht grundlegend verändert. An Oberflächen wurden in Abhängigkeit vom Verhältnis der Adsorptionsenergie zur Stärke des Hydrophoben Effektes verschiedene Strukturen der adsorbierten Schichten beobachtet. Eigenschaften der adsorbierten Aggregate wurden bei unterschiedlichen Oberflächenkonzentrationen ermittelt.