In this dissertation, diverse strategic designs of energy storage materials were explored. The main aims were: affordability and high-performances. I) on eco-efficient synthesis of 1D intercalation compounds was described; a low-temperature aqueous solution synthesis of nanostructured 1D (molybdenum trioxide) MoO3 was developed. Subsequent self-assembly of the fibers to form large-scale freestanding films in paper-like structure was achieved without any assistance of organic compounds. Indeed, the whole processes, from synthesis to assembly of obtained materials, do not require toxic organic solvents. As an example of the application of our synthesized materials, 1D MoO3, having the width in 50−100 nm, with the length in micro scale, and with thickness in ~10 nm, and the macroscopic oxide papers consisting of 1D MoO3 and carbon materials were applied as the cathode and anode to lithium-ion batteries, respectively. As a cathode material, the 1D MoO3 showed a high rate capability with a stable cycle performance up to 20 A/g due to a short Li+ diffusion path along [101] and less grain boundaries which were achieved by the precise nanostructure control. As an anode material, the composite paper showed the first specific discharge capacity of 800 mAh/g. These findings above indicate not only an affordable, eco-efficient synthesis and assembly of nanomaterials but also show a new attractive strategy towards a possible whole aqueous process for a large-scale fabrication of freestanding oxide papers without any toxic organic solvent. II) a new energy storage principle using polymeric frameworks was investigated. The new energy storage concept can deliver both high power and high energy. This is because of the novel energy storage nature of designed artificial polymeric frameworks which is different from classical energy storage mechanisms. The main novel discovery was as follows; since CTF-1 is linear stepwise p- and n-dopable polymer, therefore, this framework can store energy as a cathode in the wide working potential with both cation below 3 V versus Li/Li+ and anion above 3 V versus Li/Li+ by Faradaic reaction. Due to this feature, CTF-1 can store high specific capacity of 540 mAh/g. As the result the new energy storage concept which can deliver both high power and high energy was discovered by using a novel polymeric cathode. Unlike typical organic electrodes in sodium battery systems, the CTF-1 has a high specific power of 10 kW/kg, specific energy of 500 Wh/kg, and over 7,000 cycle life retaining 80 % of its initial capacity in half-cells. Indeed, all-organic energy storage devices based on CTF-1 suggested a possibility towards an extremely affordable energy storage device. Recent research on such artificial polymeric frameworks suggests their huge variability to utilize different functional structures which could even further increase power and energy even further when using different starting monomers. This would significantly extend the possibilities of electrical energy storage devices for a sustainable society based on our result. From this point of view, our research strategy which combined the experimental and theoretical study would be a model for further development of this field.

In der vorliegenden Arbeit wurden neue Nanopartikel/Polymer-Kompositmaterialien und Methoden zur ihrer Herstellung entwickelt. Durch die Verwendung lumineszierender, anorganischer Nanopartikel und transparenter Polymere konnte für verschiedene Systeme die Lumineszenz als Funktion auf die Nanokomposite übertragen werden. Zunächst wurden in allen Fällen stabile Partikeldispersionen in Monomeren oder Polymerlösungen erzeugt, die in einem zweiten Schritt durch in-situ-Polymerisation oder Filmgießen in Komposite verarbeitet wurden. So konnten orangelumineszierende ZnS:Mn-Nanopartikel durch eine Cofällungsreaktion dargestellt und in eine stabile Dispersion in Acrylsäure überführt werden. Diese Dispersion konnte mit dem Tintenstrahldrucker als transparente Schicht gedruckt und durch Strahlungshärtung polymerisiert werden. Durch die Beimengung von MMA gelang erstmals die Herstellung transparenter ZnS:Mn-Nanokomposite durch die thermische Copolymerisation in Masse. Eine weitere Modifizierung mit Oleylamin ermöglichte die Stabilisierung der Partikel in Laurylacrylat und die Herstellung von ZnS:Mn/PLA-Nanokompositen durch Photopolymerisation der Dispersion. ZnS:Mn/PMMA-Nanokomposite und die isolierten Partikel weisen eine Fluoreszenzquantenausbeute von ca. 30 % auf. Dieser Wert übertrifft bisher publizierte Werte für ZnS:Mn-Nanopartikel deutlich. Blau-grün lumineszierende, kupferdotierte ZnS-Nanopartikel wurden in Wasser synthetisiert und durch einen Phasentransfer mit Octylamin hydrophob modifiziert. Mit den modifizierten ZnS:Cu-Nanopartikeln wurden PLA-Nanokomposite durch Redispergierung und in-situ-Polymerisation hergestellt. Des Weiteren konnten ZnS/PMMA-Filme durch ein Gießverfahren mit den hydrophobisierten ZnS:Mn- und ZnS:Cu-Partikeln hergestellt werden. Zinkoxid-Nanopartikel wurden in Ethanol synthetisiert. Die Partikel konnten als stabile Dispersion in BDMA überführt werden. Die Methode erlaubt die Kontrolle über Partikelgrößen im Bereich von 6-10 nm (DLS) und über die Partikelkonzentration bis zu 10 Gew%. Wachstumsprozesse, die für ZnO in Ethanol nur schwer zu kontrollieren sind, sind in BDMA vollständig eingestellt. Alternativ konnten die Zinkoxid-Nanopartikel durch die Zugabe von Oleylamin aus der ethanolischen Dispersion isoliert und gleichzeitig modifiziert werden. Die hydrophobisierten Partikel sind redispergierbar in unpolaren Monomeren. Mit dieser Methode wurden ZnO-Dispersionen in Laurylacrylat hergestellt. Dispersionen in BDMA und LA konnten photopolymerisiert werden. Die stabilen ZnO-Dispersionen in Acrylatmonomeren mit Konzentrationen bis 10 Gew% und daraus herstellbare, transparente Polymernanokomposite durch UV-Härtung sind als Neuheit zu bewerten. Zur Herstellung von YVO4:Eu/Polymer-Nanokompositen wurde eine Methode für die in-situ-Generierung der Nanopartikel in Methylmethacrylat entwickelt. Dazu wurden neuartige, inverse Mikroemulsionen mit MMA als Ölphase erzeugt. In den Mizellen entstanden durch eine Fällungsreaktion rot-emittierende YVO4:Eu- Nanopartikel. Die resultierende Partikeldispersion in MMA wurde polymerisert und so in Nanokomposite umgewandelt. Eine alternative Herstellungsmethode basiert auf der Synthese von citratstabilisierten YVO4:Eu-Nanopartikeln in Wasser und anschließendem Phasentransfer mit Octylamin. Man erhält ein hydrophobes Pulver, das in Laurylacrylat zu einer stabilen Mischung redispergiert werden kann. Die resultierenden Dispersionen sind photopolymerisierbar [169]. YVO4:Eu enthaltende Polymernanokomposite wurden bisher nicht beschrieben. Der Phasentransfer mit Alkylaminen wurde bereits für Gold-Nanopartikel demonstriert. Die Anwendung auf ZnS:Cu- und YVO4:Eu-Nanopartikel ist als Weiterentwicklung zu betrachten. Zur Partikelgrößenbestimmung an den Monomerdispersionen und Pulvern wurden dynamische Lichtstreuung, Kleinwinkelröntgenstreuung, Transmissionselektronenmikroskopie und Röntgendiffraktometrie eingesetzt. Alle genannten Nanokompositmaterialien konnten mit hoher Transparenz und geringer Trübung hergestellt werden, wie mit Transmissionsmessungen und Trübungsmessungen gezeigt wurde. Mit Transmissionselektronenmikroskopie an Ultramikrotomdünnschnitten konnte für ZnS/PMMA- und ZnO/PBDMA-Nanokomposite eine homogene Partikelverteilung im Polymer nachgewiesen werden. Durch die Variation des Partikelanteils wurden für die verschiedenen Systeme Konzentrationsgrenzen im Bereich von 3-10 Gew% zur Herstellung transparenter Komposite ermittelt. Die Nanokomposite weisen eine intensive Photolumineszenz auf. Blau- (ZnS:Cu), grün- (ZnO), orange- (ZnS:Mn) und rot- (YVO4:Eu) emittierende Nanokomposite wurden erhalten (Abbildung 75). Mit Fluoreszenzspektroskopie wurden die charakteristischen Anregungs- und Emissionsspektren der Kompositproben aufgenommen. Neben der Lumineszenz können die intensive UV-Absorption des ZnO, bzw. der hohe Brechungsindex des ZnS in Nanokompositen nutzbar gemacht werden. Die entwickelten Methoden beruhen auf einfachen, aufskalierbaren Prozessen und die verwendeten Edukte sind kommerziell erhältlich und ungiftig. Die entwickelten stabilen, druckbaren und strahlungshärtbaren Nanopartikeldispersionen in Acrylatund Methacrylatmonomeren sind daher auch für industrielle Anwendungen geeignet.

Ice accretion on various surfaces can cause destructive effect of our lives, from cars, aircrafts, to infrastructure, power line, cooling and transportation systems. There are plenty of methods to overcome the icing problems including electrical, thermal and mechanical process to remove already accumulated ice on the surfaces and to reduce the risk of further operation. But all these process required substantial amount of energy and high cost of operation. To save the global energy and to improvement the safety issue in many infrastructure and transportation systems we have to introduce some passive anti-icing coating known as ice-phobic coating to reduce the ice-formation and ice adhesion onto the surface. Ice-phobic coatings mostly devoted to utilizing lotus-leaf-inspired superhydrophobic coatings. These surfaces show promising behavior due to the low contact area between the impacting water droplets and the surface. In this present study we investigate systematically the influence of chemical composition and functionality as well as structure of surfaces on wetting properties and later on icing behavior of surfaces. Robust anti-icing coating has been prepared by using modified silica particles as a particles film. Polymer brushes were synthesized on flat, particle surfaces by using Surface initiated ATRP. We have also investigated the effect of anti-icing behavior on the surfaces by varying surface chemistry and textures by using different sizes of particles. This approach is based on the reducing ice accumulation on the surfaces by reducing contact angle hysteresis. This is achieved by introducing nano to micro structured rough surfaces with varying surface chemistry on different substrates. Freezing and melting dynamics of water has been investigated on different surfaces by water vapour condensation in a high humidity (80%) condition ranging from super hydrophilic to super hydrophobic surfaces below the freezing point of water. Kinetics of frost formation and ice adhesion strength measurements were also performed for all samples. All these experiments were carried out in a custom humidity and temperature controlled chamber. We prepared a superhydrophobic surface by using Poly dimethyl siloxane (PDMS) modified fumed silica which display very low ice-adhesion strength almost 10 times lower than the unmodified surface. Also it has self-cleaning behavior after melting of ice since whole ice layer was folded out from the surface to remove the ice during melting. Systematic investigation of the effect of three parameters as surface energy, surface textures (structure, geometry and roughness) and mechanical properties of polymers (soft and stiff) on icing behavior has also been reported.

With the development of modern industrial engineering technology, increasing demands of multifunctional materials drive the exploration of new applications of electrical conductive polymer nanocomposites (CPNCs). Toward applications of smart materials, sensing performance of CPNCs has gained immense attention in the last decade. Among them, strain sensors, based on piezoresistive behavior of CPNCs, are of high potential to carry out structural health monitoring (SHM) tasks. Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) is highly thought to be potential for SHM applications in civil infrastructures like bridges and railway systems, mechanical systems, automobiles, windgenetors and airplanes, etc. because of its combination of flexibility, low weight, low thermal conductivity, high chemical corrosion resistance, and heat resistance, etc. This work aimed to achieve high piezoresistive sensitivity and wide measurable strain ranges in carbon nanotube based poly(vinylidene fluoride) (PVDF) nanocomposites. Four strategies were introduced to tune the sensitivity of the relative electrical resistance change (ΔR/R0) versus the applied tensile strain for such nanocomposites. Issues like the influence of dispersion of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) on initial resistivity of PVDF nanocomposites and conductive network structure of MWCNTs, as well as piezoresistive properties of the nanocomposites, were addressed when using differently functionalized MWCNTs (strategy 1). In addition, the effects of crystalline phases of PVDF, mechanical ductility of its nanocomposites and interfacial interactions between PVDF and fillers on piezoresistive properties of PVDF nanocomposites were studied. Using hybrid fillers, to combine MWCNTs with conductive carbon black (strategy 2) or isolating organoclay (strategy 3), piezoresistive sensitivity and sensing strain ranges of PVDF nanocomposites could be tuned. Besides, both higher sensitivity and larger measurable strain ranges are achieved simultaneously in PVDF/MWCNT nanocomposites when using the ionic liquid (IL) BMIM+PF6- as interface linker/modifier (strategy 4). The detailed results and highlights are summarized as following: 1. The surface functionalization of MWCNTs influences their dispersion in the PVDF matrix, the PVDF-nanotube interactions and crystalline phases of PVDF, which finally results in different ΔR/R0 and the strain at the yield point (possibly the upper limit of sensing strain ranges). As a whole, regarding to the fabrication of strain sensors based on PVDF/MWCNT nanocomposite, in contrast to pristine CNTs, CNTs-COOH and CNTs-OH, CNT-NH2 filled PVDF nanocomposites possess not only high piezoresistive sensitivity but also wide measurable strain ranges. Gauge factor, i.e. GF, is ca.14 at 10% strain (strain at the yield point) for the nanocomposites containing 0.75% CNTs-NH2. 2. Using hybrid fillers of CNTs and CB to construct strain-susceptible network structure (conductive pathway consisting of string-like array of CNTs and CB particles) enhances the piezoresistive sensitivity of PVDF nanocomposites, which is tightly associated with the CNT content in hybrid fillers and mCNTs/mCB. The best piezoresistive effect is achieved in PVDF nanocomposites with fixed CNT content lower than the ΦC (0.53 wt. %) of PVDF/CNT nanocomposites. 3. ΔR/R0 and possible sensing strain ranges of PVDF nanocomposites were tailored by changing crystalline phases of PVDF and PVDF-MWCNT interactions. Besides, the increase of the strain at yield point in PVDF nanocomposites filled by CNTs-OH is more obvious than that in the nanocomposites containing the same amount of clay and CNTs. The nanocomposite consisting of 0.25% clay and 0.75% CNTs-OH have ca. 70% increase of the strain at the yield point (17%) and the GF at this strain is ca. 14, while GF for the nanocomposite filled by only 0.75% CNTs-OH is ca. 5 at 10% strain. 4. IL BMIM+PF6- served as interface linker for PVDF and MWCNTs, which significantly increased the values of ΔR/R0 and strain at the yield point of PVDF nanocomposites simultaneously. Besides, this increases with increasing IL content. With the aid of IL, the dispersion of nanotube and toughness of the nanocomposites are greatly improved, but the electrical conductivity of the nanocomposites is decreased with the incorporation of IL, which is related to the IL modified PVDF-MWCNT interface connection or bonding. GF reaches ca. 60 at 21% strain (the strain at the yield point) for PVDF nanocomposites filled by 10% IL premixed 2%CNTs-COOH.

Kohlenstoffnanoröhren als eigenständige Modifikation des Kohlenstoffs sind zylindrische, aus mehreren Lagen Kohlenstoff aufgebaute Röhren, die über einen Hohlraum im Inneren verfügen. Bereits kurze Zeit nach ihrer Entdeckung, kam die Idee auf, Substanzen in diesen Hohlraum zu füllen. Durch den Einbau von Katalysatormaterial während der Synthese, ist bereits eine Vielzahl von Elementen als Füllmaterial zugänglich. Um jedoch nicht auf Elemente limitiert zu sein, die als Katalysator für die CNT-Synthese dienen, ist es möglich eine postsynthetische Füllung durchzuführen. Hier werden ungefüllte CNT geöffnet und anschließend, unter Ausnutzung der Kapillarkräfte, gefüllt. In der vorliegenden Arbeit wurden zunächst verschiedene Methoden zur Füllung untersucht. Neben lösemittelbasierten Methoden wurde mit Salzschmelzen, durch Gasphasentransport und durch Füllung mit einer kovalenten Präkursorverbindung gefüllt. Da metallische Partikel das Ziel waren, folgte im Anschluss an die Füllung mit Salzen, Salzlösungen, oder anderen Präkursoren jeweils eine Reduktion mit Wasserstoffgas bei erhöhten Temperaturen. Die Ergebnisse der Füllung wurden umfassend mittels Elektronenmikroskopie untersucht. Füllungsgrade wurden mittels Thermogravimetrie bestimmt. So konnten für zahlreiche Elemente eine geeignete Methode zur Füllung mit metallischen Partikeln entwickelt werden. Im Falle der Füllung mit Zinn konnte zudem gezeigt werden, dass ein Zusammenhang zwischen der Dauer der Füllreaktion und dem Anteil an drahtartigen Nanostrukturen in den CNT, sowie ein Zusammenhang zwischen der eingesetzten Lösungskonzentration und dem Füllungsgrad besteht. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde die Synthese von intermetallischen Partikeln in CNT untersucht. Hierbei dienten die Systeme Nickel-Zinn und Cobalt-Zinn, die als vielversprechende Materialien im Einsatz als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Akkumulatoren diskutiert werden, als Modellsysteme. Zunächst wurde gezeigt, dass es nicht möglich ist, aus einem Gemisch des Zinnsalzes und des jeweiligen anderen Salzes erfolgreich intermetallische Partikel herzustellen. Mittels Pulverröntgendiffraktometrie (XRD) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) konnte gezeigt werden, dass lediglich Zinnpartikel in den CNT vorhanden waren. Schließlich konnte mit dem Verfahren der sequentiellen Füllung eine erfolgreiche Synthese intermetallischer Nanostrukturen bewerkstelligt werden. Hierbei wird die CNT zuerst mit einer Lösung von Zinnchlorid gefüllt und schließlich reduziert. Anschließend erfolgt eine weitere Füllung mit einem Nickel- bzw. Cobaltsalz und einer nachfolgenden Reduktion. Während dieser zweiten Reduktion erfolgt die Bildung der intermetallischen Nanostrukturen in den CNT. Mittels XRD konnte gezeigt werden, dass tatsächlich intermetallische Strukturen in der Probe enthalten sind und dass man zudem durch das Verhältnis der beiden eingesetzten Elemente (Zinn zu Nickel bzw. Cobalt) Einfluss auf die vorherrschende intermetallische Verbindung nehmen kann. Durch EDX-Linienscans und Elementkarten, die am Transmissionselektronenmikroskop angefertigt wurden, konnte nachgewiesen werden, dass einzelne, in den CNT befindliche Partikel, tatsächlich aus den beiden Elementen Zinn und Nickel bzw. Cobalt bestehen und somit intermetallisch sind. Ein erster Test des erhaltenen Materials aus CNT und intermetallischen Nickel-ZinnVerbindungen als Anodenmaterial konnte bereits durchgeführt werden. Die gemessene Kapazität lag bereits im Bereich von Graphit, welches üblicherweise als Anodenmaterial verwendet wird, könnte jedoch durch Erhöhung des Anteils der intermetallischen Verbindung noch weiter gesteigert werden.

Molybdenum chalcohalide nanowires are systems, which structural, electronic and optical properties have been analyzed in detail. However, their potential as building blocks for electronic devices has not been investigated so far. This question is raised in Dissertation, focusing on unique electronic transport properties of these systems, and comparing them with those of the popular carbon nanotubes.

The main goal of this work is to search for new stable porous carbon-based materials, which have the ability to accommodate and store hydrogen gas. Theoretical and experimental studies suggest a close relation between the nano-scale structure of the material and its storage capacity. In order to design materials with a high storage capacity, a compromise between the size and the shape of the nanopores must be considered. Therefore, a number of different carbon-based materials have been investigated: carbon foams, dislocated graphite, graphite intercalated by C60 molecules, and metal-organic frameworks. The structures of interest include experimentally well-known as well as hypothetical systems. The studies were focused on the determination of important properties and special features, which may result in high storage capacities. Although the variety of possible pure carbon structures and metal-organic frameworks is almost infinite, the materials described in this work possess the main structural characteristics, which are important for gas storage.

A simple and facile way to the fabrication of nano to micro scale organic-inorganic hybrid particles was demonstrated. A well known “template-assisted approach” was chosen for the preparation of these hybrid particles, in which the inorganic material of interest is templated against the template particles. A series of colloidal template particles including, polystyrene, poly (vinylcaprolactam) and poly (N-isopropylacrylamide) was used for the deposition of a variety of metal oxides/hydroxide nanoparticles. A classical surfactant free co-polymerization process was employed for the synthesis of these template particles. To facilitate the deposition of inorganic nanoparticles in subsequent steps, these colloidal particles were functionalized with the suitable functional groups. For this purpose, polystyrene particles were synthesized in the presence of acetoacetoxyethylmethacrylate (AAEM) co-monomer. Similarly, poly (vinylcaprolactam) and poly (N-isopropylacrylamide) particles were functionalized by adding AAEM and acrylic acid co-monomers, respectively, during their synthesis. It is thought that an effective interaction between these functionalities of employed template and metal oxide/hydroxide precursors is the driving force for the fabrication of organic-inorganic hybrid particles. A number of metal oxide/hydroxide nanoparticles including ZnO, TiO2, Ta2O5 and In(OH)3 were deposited on the surface of polystyrene colloidal particles. A systematic variation in the employed reaction conditions allowed a modulation in size, shape, morphology, shell thickness and inorganic contents of resulting hybrid particles. Similar effect of the employed Indium isopropoxide concentration on the morphology of PS-In(OH)3 hybrid particles was observed. In the case of PS-TiO2 and PS-Ta2O5 only core-shell morphology was observed. However, suitable surface chemistry and careful selection of reaction parameters allowed the deposition of as much thick as 130 nm TiO2/Ta2O5 shell on the polystyrene core. In addition, a controlled manipulation of the shell thickness with the employed concentration of inorganic salt was observed. Polystyrene colloidal particles coated with a high refractive index material such as TiO2, were employed as building blocks for the fabrication of self assembled colloidal crystals. The variation in particle size and TiO2 content of employed building blocks allowed the manipulation in stop band position and band width of resulting photonic structures. Furthermore, PS-ZnO hybrid particles with raspberry-like morphology were exploited as carrier for ZnO nanoparticles into a host polymer matrix to achieve a nanocomposite material. In addition, fabrication of a series of closed, intact and mechanically robust hollow spheres, composed of pure and mixed metal oxides was demonstrated. The removal of polystyrene core from PS-TiO2 and PS-Ta2O5 hybrid particles by chemical or thermal treatment resulted into the hollow TiO2 and Ta2O5 spheres, respectively. Templating of PVCL colloidal particles against ZnO nanoparticles was shown and variation in physical properties of the resulting hybrid microgels as a function of the loaded amount of ZnO nanoparticles was demonstrated. PVCL-ZnO hybrid microgels showed the temperature sensitivity of the template particles and the UV-absorbing property of the loaded ZnO nanoparticles. It was demonstrated that these hybrid materials can effectively be used in the preparation of a transparent UV-shielding material. In addition, the deposition of preformed and functionalized quantum dots (CdTe) on the surface of PNIPAm microgel particles was explored and a manipulation in the fluorescent properties of loaded quantum dots as a result of temperature induced swelling and deswelling of microgel template was investigated. It was found that the fluorescence of deposited quantum dots can be switched to “ON” or “OFF” by changing the temperature of the surrounding media. These hybrid particles are envisioned to be used in the fabrication of temperature nanosensors.

In der vorliegenden Arbeit wurde das hochgeordnete Wachstum von großen organischen Molekülen auf kristallinen Substraten mit Hilfe der Quaterrylenderivate QT, QTCDI und QTCMI untersucht. Um derartige Schichten herstellen und charakterisieren zu können, wurde eine Organische Molekularstrahlepitaxy (OMBE)-Anlage aufgebaut. Allerdings stellt OMBE bisher nur ein Standardverfahren für die Präparation hochgeordneter Schichten bestehend aus kleineren Molekülen dar. Im Zusammenhang mit größeren Molekülen ergibt sich die Frage, ob auf Grund der höheren Sublimationstemperatur diese unzersetzt aufgedampft werden können. Optische Spektroskopieexperimente haben gezeigt, daß dies im Fall von QT möglich ist. Andererseits beginnt die Zersetzung von QTCDI bereits unterhalb seiner Sublimationstemperatur, wobei als eines der Produkte QTCMI entsteht. Ein wesentliches Anliegen dieser Arbeit bestand darin, die Frage zu klären, inwieweit diese großen Aromate epitaktisch auf anorganischen als auch organischen Substraten aufwachsen. Organisch-anorganische Schichtsysteme wurden durch Aufdampfen der Quaterrylenderivate auf einkristalline, rekonstruierte Goldoberflächen erzeugt und anschließend mit LEED und STM charakterisiert. Trotz der eingeschränkten thermischen Stabilität von QTCDI konnten sowohl hochgeordnete QT als auch QTCDI Monolagen auf Au(111) hergestellt werden, die jeweils aus flachliegenden Molekülen bestehen. Im Falle von QTCDI konnte dieses Resultat durch eine Optimierung der Probenherstellung erreicht werden. Im Unterschied zur Anordnung der QT Moleküle in Reihen, bilden die QTCDI Moleküle eine dazu deutlich verschiedene brickwall Struktur, die durch die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Randgruppen der QTCDI Moleküle erklärt werden kann. In ähnlicher Weise zeigt sich der Einfluß der Substituenten auf die Anordnung der Moleküle in der Schicht an den gefunden QTCMI Strukturen. Im Unterschied zu QTCDI Monolagen auf Au(111), konnten keine reinen QTCMI Proben erzeugt werden. Die Ursache dafür ist, daß QTCMI zwar in der QTCDI Knudsenzelle angereichert werden kann, aber beide Moleküle ähnliche Verdampfungstemperaturen besitzen. Selbst die Präparation einer reinen QTCMI Probe nach vollständiger Umsetzung aller QTCDI Moleküle in der Knudsenzelle erscheint schwierig, da bei diesen Temperaturen auch die Zersetzung der QTCMI Moleküle stattfindet. Des weiteren wurden QT Monolagen auf Au(100) Substraten hergestellt. Die QT Moleküle besitzen auf dieser Oberfläche dieselbe Anordnung wie auf Au(111). Auf beiden Oberflächen wurden nur bestimmte Domänenwinkel beobachtet, die die Ausrichtung der Moleküldomänen im Bezug zum Substrat beschreiben. Da die rekonstruierten Au(100) Oberfläche typischerweise nur eine Phase je Terrasse ausbildet, entsteht eine ausgedehnte QT Domäne bereits durch eine einzige Adsorbatstruktur. Andererseits erfordert das homogene Wachstum einer ausgedehnten QT Domäne auf verschiedenen Rekonstruktionsdomänen der Au(111) Oberfläche die Existenz der drei beobachteten Adsorbatstrukturen, die sich durch unterschiedliche Domänenwinkel auszeichnen. Weiterhin wurden Anzeichen dafür gefunden, daß die rekonstruierten Au(111) und Au(100) Oberflächen durch die Adsorption von QT Molekülen verändert werden. Während dieser Effekt im Fall der Au(111) Oberfläche auch bei anderen organischen Molekülen beobachtet wurde, ist unseres Wissens nach in der Literatur eine Veränderung der Au(100) Rekonstruktion in Folge des Aufdampfens einer organischen Molekülschicht bisher nicht beschrieben worden. Darüber hinaus können alle beobachteten Adsorbatstrukturen der Quaterrylenderivate auf Au(111) und Au(100) im Rahmen des point-on-line Modells erklärt werden. Das Wachstum der zweiten Monolage QT auf Au(111) wurde als Beispiel für organisch-organische Homoepitaxy untersucht. Die Moleküle der zweiten QT Monolage bilden wiederum Reihen, die entlang der QT Reihen der ersten Monolage wachsen. Als unmittelbare Folge existiert nur eine mögliche Domänenorientierung im Bezug zur ersten Monolage QT. Im Unterschied zu den ausschließlich flachliegenden Molekülen der ersten Monolage QT wurden in der zweiten Monolage alternierend stehende und liegende Moleküle beobachtet. Die resultierende Struktur ähnelt dabei der QT Kristallstruktur. Diese Resultate zeigen, daß die Au(111) Oberfläche einen vergleichsweise starken Einfluß auf die Struktur der ersten QT Monolage hat, während sie sich deutlich weniger stark auf die Struktur der zweiten QT Monolage auswirkt. Einen weiteren Aspekt der vorliegenden Arbeit stellen organisch-organische Heterostrukturen bestehend aus QT-HBC Schichten auf Au(111) dar. Im Zusammenhang mit der Untersuchung dieser Schichten sollte geklärt werden, ob der kürzlich gefundene Epitaxytyp line-on-line das Wachstum organisch-organischer Heterostrukturen generell beschreiben kann. Im Gegensatz zu typischen STM Bildern von organisch-organischen Heterostrukturen aus der Literatur, konnten hier Bilder aufgezeichnet werden, in der beide Molekülsorten deutlich voneinander unterschieden werden können. Dabei wurde eine QT/HBC Heterostruktur gefunden, bei der flachliegende QT Moleküle Reihen bilden. Im Unterschied zu QT auf Au(111) sind diese Reihen nicht dicht aneinander gepackt. Diese Beobachtung deutet darauf hin, daß die QT Struktur durch ein energetisch günstiges Packen der QT Moleküle auf den HBC Molekülen bestimmt wird. Darüber hinaus wurden zwei weitere Adsorbatstrukturen mit deutlich verschiedenen Gitterparametern gefunden. Hochaufgelöste STM Bilder legen nahe, daß diese beiden Strukturen alternierend aus stehenden und liegenden Moleküle bestehen. Die Experimente liefern Anzeichen dafür, daß die jeweilige Anordnung der QT Moleküle in der Schicht von der Dicke der darunterliegen HBC Schicht bestimmt wird. Demnach liegen die QT Moleküle auf einer Monolage HBC infolge der stärkeren Wechselwirkung zur Au(111) Oberfläche flach, während die bei dickeren HBC Schichten schwächere Wechselwirkung mit dem Gold eine Struktur aus stehenden und liegenden Molekülen ähnlich der Kristallstruktur zur Folge hat.

Die Längsbiegefestigkeit von kohlenstofffaserverstärktem Reinmagnesium konnte durch eine geeignete Nanostrukturierung der Bornitridgrenzschichten von 1140 auf 1620 MPa erhöht werden. Diese optimale Nanostrukturierung zeichnet sich dadurch aus, dass die atomaren Basisebenen des hexagonalen Bornitrids an den Grenzflächen zu den C-Faserfilamenten parallel zu deren Oberfläche verlaufen und an der Grenzfläche zur Matrix turbostratisch verknäult sind, wodurch einerseits an der inneren Grenzfläche die Haftung moderat eingestellt wird und andererseits an der äußeren Grenzfläche eine gute mechanische Verzahnung zwischen Schicht und Matrix besteht. Somit lässt diese Texturierung mikromechanische Versagensprozesse zu, wie z. B. energiedispersives Filamentdebonding und Abbau von Spannungskonzentrationen an den Rissspitzen, die eine weitgehende Nutzung der hohen Faserfestigkeit im Verbund ermöglichen.