Despite the availability of numerous two-dimensional (2D) materials with structural ordering at the atomic or molecular level, direct construction of mesoscale-ordered superstructures within a 2D monolayer remains an enormous challenge. Here, we report the synergic manipulation of two types of assemblies in different dimensions to achieve 2D conducting polymer nanosheets with structural ordering at the mesoscale. The supramolecular assemblies of amphipathic perfluorinated carboxylic acids and block co-polymers serve as 2D interfaces and meso-inducing moieties, respectively, which guide the polymerization of aniline into 2D, freestanding mesoporous conducting polymer nanosheets. Grazingincidence small-angle X-ray scattering combined with various microscopy demonstrates that the resulting mesoscale-ordered nanosheets have hexagonal lattice with d-spacing of about 30 nm, customizable pore sizes of 7–18 nm and thicknesses of 13–45 nm, and high surface area. Such template-directed assembly produces polyaniline nanosheets with enhanced π–π stacking interactions, thereby resulting in anisotropic and record-high electrical conductivity of approximately 41 S cm–1 for the pristine polyaniline nanosheet based film and approximately 188 S cm–1 for the hydrochloric acid-doped counterpart. Our moldable approach creates a new family of mesoscale-ordered structures as well as opens avenues to the programmed assembly of multifunctional materials.

In dieser Arbeit wurde untersucht, wie gut bestimmte aliphatische Verbindungen, die selbstorganisierende Monolagen bilden, als Dielektrikum für organische Transistoren geeignet sind. Die auf Silicium- und Aluminiumoberflächen adsorbierten Verbindungen wurden mittels Ellipsometrie, AFM, STM und XPS charakterisiert, und die Packungsdichte, Ordnung und Oberflächenbelegung der Monolagen ermittelt. Zwischen den experimentellen Ergebnissen und denen von Computersimulationen der räumlichen Anordnung der Moleküle ergab sich eine gute Übereinstimmung. Alle untersuchten Monolagen zeigen keine Fernordnung. Der Grad der Nahordnung hängt von der Wahl der Anker- und Endgruppe ab. Die größte Packungsdichte wurde für die Verbindungen mit Phosphonsäure-Ankergruppe und Methyl-Endgruppe festgestellt. Für Monolagen der Verbindung n-Octadecylphosphonsäure auf Aluminium wurde ein Molekülabstand von 0.35 nm ermittelt. Mit dieser Verbindung als Gate-Dielektrikum wurden funktionsfähige organische Transistoren und integrierte Schaltungen demonstriert.

Trotz genauer Produktionsplanung und -steuerung mit modernen Algorithmen beobachtet man in Fabriksystemen immer wieder plötzliche und unvorhergesehene Zusammenbrüche der Materialströme. Erstaunlicherweise scheinen diese Kapazitätseinbrüche nur wenig durch die aktuelle Pufferauslastung beeinflusst zu sein. Um die entsprechenden Effekte zu unterbinden, wird in diesem Aufsatz eine neuartige Strategie zur Selbstorganisation individueller Güter in Transportund Puffersystemen vorgestellt. Durch ein kooperatives („soziales“) Verhalten dieser Güter lassen sich deren gegenseitige Behinderungen reduzieren, was zu einer deutlichen Harmonisierung des Materialflusses in der innerbetrieblichen Logistik führt. Das vorgeschlagene Konzept wird an einer beispielhaften Fabrik illustriert. Im Rahmen eines erfolgreichen Modellprojekts wird seine praktische Umsetzung derzeit bei einem englischen Verpackungshersteller erprobt. / Despite careful production planning and control using modern algorithms, one can repeatedly observe sudden and unpredicted breakdowns of the material flows in factory systems. Surprisingly, these capacity dips are only marginally affected by the current buffer storage level. To enable prevention of these effects, this paper describes a new strategy for the self-organisation of individual goods in material handling systems. Where the behaviour of the individual goods is cooperative (“social”), their mutual hindrances can be reduced, which in turn leads to a noticeable smoothing of the intra-plant material flows. The suggested concept will be illustrated with a factory example. Its practical applicability is currently being tested within the scope of a successful pilot project with a packaging manufacturer.

Within the field of modern technology, nanomatrials, such as nanoparticles (NP), nanorods (NR), quantum dots (QD) etc. are, probably, the most prominent and promising candidates for current and future technological applications. The interest in nanomaterials arise not only form the continuous tendency towards dimensions minimisation of electronic devices, but also due to the fact, that new and, often, unique properties are acquired by the matter at the length scale between 1 and 100 nm. The ability to organize nanoparticles into ordered arrays extends the range of useful NP-based systems that can be fabricated and the diversity of functionalities they can serve. However, in order to successfully exploit nanoparticle assemblies in technological applications and to ensure efficient scale-up, a high level of direction and control is required. Recently, block copolymers (BCP) have attracted much attention as a powerful and very promising tool for creation of nanoscale ordered structures owing to their self-assembling properties. In addition, these systems offer the possibility to fabricate nanostructured composite materials via incorporation of certain nanoadditives (i.e. NPs). The concept is that by selective inclusion of the nanoparticles into one of the blocks of a self-assembling copolymer, the nanoparticles are forced into a defined spatial arrangement determined by the phase morphology of the block copolymer. In present work self-assembling phenomena of block copolymers was exploited to fabricate binary (NP/BCP) and ternary (NP1/NP2/BCP) composites, filled with pre-synthesized nanoparticles of various nature. Polystyrene-block-polyvinylpyridine block copolymers (PS-b-PVP) of various composition and molecular weight were used for fabrication of nanocomposites. The first part of the thesis focuses on fabrication of functional BCP-based composites containing magnetic nanoparticles (MNP), selectively assembled within one of the blocks of BCP matrix. Magnetic nanoparticles (MNPs) were selected among others since, as for today, there is the least number of successful results reported in literature on their selective incorporation into one of the phases of a BCP matrix. From the application point of view fabrication of periodic arrays of “magnetic domains” with periodicity on nanometer scale is also of interest for potential use in high-density magnetic data storage devices. For this purpose, ferrite-type MNP (Fe3O4, CoFe2O4) having apparent affinity toward polyvinylpyridine (PVP) phase were prepared using simple one-pot synthesis. Highly selective nanoparticles segregation into PVP domains of BCP was achieved owing to the presence of sparse stabilizing organic shell on the nanoparticles surface. Importantly, as-prepared MNPs did not require any additional surface modification step to acquire affinity towards PVP phase. Appropriate selection of annealing conditions allowed to produce patterns of nearly perfect degree of lateral order over relatively large surface large area (more than 4 sq µm). The second task of present work was fabrication of ternary NP1/NP2/BCP hybrid composites with two different types of nanoparticles being selectively localized in different microdomains of phase segregated block copolymer matrix. So far as only few studies have been reported on developing of approaches toward ternary composites, creation of alternative and straight forward routes toward such systems is still a challenge. In the frame of this part of present work, silver nanoparticles (AgNPs) covered with polystyrene shell were prepared, with the purpose to be incorporated into polystarene phase of phase separated PS-b-PVP block copolymer matrix. Two different approaches were tested to achieve desired three-component system. First, supposed simple blending of block copolymer and two kinds of nanoparticles having specific affinity toward different blocks of BCP in common solvent. After preparation of MNP/AgNP/BCP composite thin film and subsequent solvent vapour annealing, different domains of microphase segregated PS-b-PVP BCP were filled with different type of nanoparticles. Alternatively, step-wise approach for nanoparticles incorporation was developed and implemented for successful selective nanoparticles incorporation. For this purpose polystyrene stabilized AgNPs (i.e. NP1) were initially mixed with PS-b-PVP BCP to produce composite thin films having nanoparticles selectively located within PS microdomains, while citrate-stabilized second type nanoparticles (i.e NP2) were deposited from their aqueous solutions into PVP domains of AgNP/PS-b-PVP composites. By partition of nanoparticles incorporation procedure into two distinct steps it was also possible to increase effective loading of each type of NPs into BCP matrix.

Future developments in nanophotonics require facile, inexpensive and parallelizable fabrication methods and need a fundamental understanding of the spectroscopic properties of such nanostructures. These challenges can be met through colloidal self-assembly where pre-synthesized colloids are arranged over large areas at reasonable cost. As so-called colloidal building blocks, plasmonic nanoparticles and quantum dots are used because of their localized light confinement and localized light emission, respectively. These nanoscopic colloids acquires new hybrid spectroscopic properties through their structural arrangement. To explore the energy transfer between these nanoscopic building blocks, concepts from physical optics are used and implemented with the colloidal self-assembly approach from physical chemistry. Through an established synthesis, the nanocrystals are now available in large quantities, any they receive the tailored spectroscopic properties through directed self-assembly. Moreover, the tailored properties of the colloids and the use of stimuli-responsive polymers allow a functionality that goes beyond current developments. The basics developed in this habilitation thesis can lead to novel functional devices in the field of smart sensors, dynamic light modulators, and large-area quantum devices.:1 Abstract 2 2 State of the art 4 2.1 Metallic and semiconductive nanocrystals as colloidal building blocks 4 2.2 Concept of large-scale colloidal self-assembly 7 2.3 Functional optical nanomaterials by colloidal self-assembly 9 2.4 Scope 13 2.5 References 14 3 Single colloidal cavities 20 3.1 Nanorattles with tailored electric field enhancement 20 4 Colloidal -to-film coupled cavities 31 4.1 Template-assisted colloidal self-assembly of macroscopic magnetic metasurfaces 31 4.2 Single particle spectroscopy of radiative processes in colloid-to-film-coupled nanoantennas 50 4.3 Active plasmonic colloid-to-film coupled cavities for tailored light-matter interactions 65 5 Colloidal polymers 74 5.1 Direct observation of plasmon band formation and delocalization in quasi-infinite nanoparticle chains 74 6 Colloidal lattice 84 6.1 Hybridized guided-node resonances via colloidal plasmonic self-assembled grating 84 6.2 Mechanotunable surface lattice resonances in the visible optical range by soft lithography templates and directed self-assembly 94 6.3 Tunable Circular Dichroism by Photoluminescent Moiré Gratings 103 7 Conclusion and perspective 112 8 Appendix 113 8.1 Further publications during the habilitation period 113 8.2 Curriculum vitae of the author 116 9 Acknowledgments 117 10 Declaration 118 / Zukünftige Entwicklungen in der Nanophotonik erfordern einfache, kostengünstige und parallelisierbare Herstellungsmethoden und benötigen ein grundlegendes Verständnis der spektroskopischen Eigenschaften solcher Nanostrukturen. Diese Herausforderungen können durch kolloidale Selbstorganisation erfüllt werden, bei der kostengünstige und zuvor synthetisierte Kolloide großflächig angeordnet werden. Als sogenannte kolloide Bausteine werden wegen ihrer lokalisierten Lichtfokussierung unterhalb der Beugungsbegrenzung plasmonische Nanopartikel sowie wegen ihrer lokalisierten Lichtemission Quantenpunkte verwendet. Diese nanoskopischen Kolloide werden in dieser Habilitationsschrift verwendet und durch Selbstanordnung in ihre gewünschte Nanostruktur gebracht, die neue hybride Eigenschaften aufweist. Um den Energietransfer zwischen diesen nanoskopischen Bausteinen zu untersuchen, werden Konzepte aus der physikalischen Optik verwendet und mit dem kolloidalen Selbstorganisationskonzept aus der physikalischen Chemie großflächig umgesetzt. Durch eine etablierte Synthese sind die Nanokristalle nun in großen Mengen verfügbar, wobei sie durch gerichtete Selbstorganisation die gewünschten spektroskopischen Eigenschaften erhalten. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von stimulierbaren Polymeren eine Funktionalität, die über die bisherigen Entwicklungen hinausgeht. Die in dieser Habilitationsschrift entwickelten Grundlagen können bei der Entwicklung neuartiger Funktionsgeräte im Bereich für intelligente Sensorik, dynamischer Lichtmodulatoren und großflächiger Quantengeräte genutzt werden.:1 Abstract 2 2 State of the art 4 2.1 Metallic and semiconductive nanocrystals as colloidal building blocks 4 2.2 Concept of large-scale colloidal self-assembly 7 2.3 Functional optical nanomaterials by colloidal self-assembly 9 2.4 Scope 13 2.5 References 14 3 Single colloidal cavities 20 3.1 Nanorattles with tailored electric field enhancement 20 4 Colloidal -to-film coupled cavities 31 4.1 Template-assisted colloidal self-assembly of macroscopic magnetic metasurfaces 31 4.2 Single particle spectroscopy of radiative processes in colloid-to-film-coupled nanoantennas 50 4.3 Active plasmonic colloid-to-film coupled cavities for tailored light-matter interactions 65 5 Colloidal polymers 74 5.1 Direct observation of plasmon band formation and delocalization in quasi-infinite nanoparticle chains 74 6 Colloidal lattice 84 6.1 Hybridized guided-node resonances via colloidal plasmonic self-assembled grating 84 6.2 Mechanotunable surface lattice resonances in the visible optical range by soft lithography templates and directed self-assembly 94 6.3 Tunable Circular Dichroism by Photoluminescent Moiré Gratings 103 7 Conclusion and perspective 112 8 Appendix 113 8.1 Further publications during the habilitation period 113 8.2 Curriculum vitae of the author 116 9 Acknowledgments 117 10 Declaration 118

Diese neu ins Leben gerufene Schriftenreihe widmet sich einer sehr aktuellen Thematik der Technischen Informatik, den eingebetteten, selbstorganisierenden Systemen (ESS). Seit Jahren durchdringen eingebettete Systeme unseren Alltag in fast allen Lebensbereichen. Angefangen von automatisierten Türöffnungssystemen, über komplex gesteuerte Servicemaschinen, z.B. Waschmaschinen, bis hin zu mobilen, persönlich zugeordneten Systemen wie Mobiltelefone und Handheld-Computer sind eingebettete Systeme zu Selbstverständlichkeit geworden. Neue Anforderungen durch den Kunden, der in immer kürzeren Zeitintervallen Neuerungen erwartet und steigende Festkosten für die Einrichtung einer Produktlinie haben einen neuen Aspekt in den Entwurf und Betrieb eingebetteter Systeme gebracht: Selbstorganisation. Einzelaspekte der Selbstorganisation können Selbstdiagnose, Selbsttest, Selbstheilung oder auch statische sowie dynamische Rekonfigurierung von Systemen sein. Dabei sind die Aspekte der Funktionalität und der Kommunikation zu unterscheiden. Beide haben großen Einfluss auf die Performanz und Stabilität eines eingebetteten Systems. Im Bereich der Kommunikation sind die Schnittstellen, die Komponenten des eingebetteten Systems verbinden, von besonderem Interesse. / This newly launched book series addresses a very current subject of computer engineering, embedded selforganising systems (ESS). For years, embedded systems permeate our everyday lives in almost all areas of life. Ranging from automated door opening systems through complex controlled service machines, e.g. Washing machines, to mobile, personally associated systems such as mobile phones and handheld computers, embedded systems have become for granted. New requirements by the customer, who expected changes in shorter time intervals and rising fixed costs of setting up a product line have brought a new aspect in the design and operation of embedded systems: selforganisation. Individual aspects of selforganisation may be self-diagnosis, self-test, self-healing or static as well as dynamic reconfiguration of systems. The aspects of the functionality of communication are distinguished. Both have great influence on the performance and reliability of an embedded system. In the field of the communication interfaces of the embedded system are of particular interest.

In this paper SAM (self-assembled monolayers) is used to passivate cobalt microbumps for 3D-stacking of Si chips. The SAM deposition process is optimized, using input from characterization techniques such as water contact angle measurement, ATR, AFM and XPS analysis in order to form a monolayer of Thiols-SAM on cobalt microbumps. A 3D stacked Si chips test vehicle was used to demonstrate the effectiveness of the SAM coating on cobalt bumps by measuring the electrical continuity of daisy chains.

Der Erste dieser Arbeit befasst sich mit der STM Untersuchung einer Grenzschicht in umgebender Atmosphäre, welche sich durch die Adsorption von Graphen auf einer Glimmeroberfläche ausbildet. Durch die umgebene Luftfeuchtigkeit interkalieren Wassermoleküle in diese Grenzschicht. Durch die Variation der relativen Luftfeuchtigkeit gibt diese Wasser ab bzw. nimmt auf, und es manifestieren sich sternförmig wachsende Fraktale, in denen Graphen etwa um den Durchmesser eines Wassermoleküls an Höhe absinkt. Die STM Untersuchung, welche primär sensitiv auf die Zustandsdichte von Graphen reagiert, zeigte, dass sich anders als in den SFM Untersuchungen, zusätzliche signifikante Höhenänderungen von Graphen innerhalb der Fraktale bildeten. Dieses deutet auf eine Wasserschicht hin, welche Domänen mit signifikant unterscheidbaren Polarisationsrichtungen aufweisen, welche die Zustandsdichte von Graphen verändern kann. Dies ist aber gleichbedeutend mit der Annahme, dass sich in jener Grenzschicht mindestens zwei oder mehr lagen Wasser bilden müssen. Der zweiten Teil befasst sich mit der STM Untersuchung einer funktionalisierten Oberfläche die charakterisiert ist durch eine leitende Oberfläche (Graphen und HOPG) adsorbierten funktionalisierte Dyade an einer Fest-Flüssig Grenzfläche. Diese Dyade besteht im Wesentlichen aus einem Zink-Tetraphenylporphyrin (ZnTPP) und mit diesem über einem flexiblen Arm verbundenen Spiropyranderivat. Letztere ändert seine Konformation durch die Einstrahlung mit Licht geeigneter Wellenlänge, womit sich das Dipolmoment stark ändert. Es zeigte sich, dass das Schaltverhalten auf einen Graphen mit dem Schaltverhalten einer Dyade in Lösung vergleichbar ist. Dieses lässt den Schluss zu, dass das Schalteigenschaften einer einzelnen Dyade auf das adsorbierte Kollektiv übertragen werden kann, da es keine signifikanten beeinflussenden Wechselwirkungen durch die leitende Oberfläche und der benachbarten Dyaden auswirkte. / The first of this two-part work deals with the STM investigation of an interface in the surrounding natural atmosphere, which is formed by the adsorption of the conductive graphene onto the mica surface. In this interface, water molecules may intercalate by the surrounding humidity. By varying the relative humidity, the interface is rewetted, respectively, dewetted and it manifests itself in a star shape growing fractals, where the height of graphene is decreased by approximately the diameter of one water molecule. The STM investigation - which is primarily sensitive to the density of states of graphene - shows that additional significant changes in the height of graphene are formed within the fractal, unlike in the SFM investigations. This suggests that there is a water layer by which the density of graphene is differently affected by domains with significant distinguishable polarisation alignments. However, this is equivalent to the assumption that there are two or more water layers exist within the interface. The second part of this work deals with the STM investigation of a functionalized surface characterised by a functionalized dyad adsorbed onto a conductive surface (graphene and HOPG) at a solid-liquid interface. This dyad essentially comprises a zinc-tetraphenylporphyrin (ZnTPP) and is connected with a spiropyran derivative via a flexible linker. This changes its conformation through irradiation with light with a suitable wavelength, by which the dipole moment is also strongly changed. It was found that the switching behaviour of a graphene-based conductive surface is comparable with the switching behaviour of a dyad, which itself can move freely in solution. This leads to the conclusion that the switching properties of a single dyad can be transmitted to its collective because it affected no significant influence interactions by the conductive surface and the adjacent dyads.

In einer zunehmend digitalen und sich rasant verändernden Arbeitswelt, wird lebenslanges Lernen immer wichtiger für den beruflichen Erfolg (OECD, 2021). Technologische Entwicklungen und der Trend zum digitalen Lernen und Arbeiten, schaffen neue Möglichkeiten für die berufsbegleitende Weiterbildung.... Learning Companions (LCs), also digitale, natürlich-sprachige Agenten (Chatbots oder sprachbasierte Assistenten), die eine freundschaftsähnliche Beziehung zu ihrem menschlichen Nutzer aufbauen, stellen einen innovativen Lösungsansatz dar, um Menschen vielfältig, individualisiert sowie zeit- und ortsunabhängig beim Lernen zu unterstützen (Khosrawi-Rad et al., 2022). Da eine hohe Motivation einen positiven Effekt auf den Lernerfolg und dessen Nachhaltigkeit hat (Hawlitschek & Merkt, 2018), jedoch gleichzeitig, insbesondere im digitalen Raum ein großes Problemfeld darstellt (Limarutti et al., 2021), forcieren wir den Einsatz eines LCs in seiner Rolle als Motivator. [Aus Einleitung]

In dieser Dissertation wird die Selbstorganisation von pi-konjugierten (makro)molekularen Architekturen durch Chemisorption oder Physisorption in hochgeordnete supramolekulare nanoskopische und mikroskopische Strukturen auf festen Trägern untersucht. Ihre Struktur und Dynamik wurden auf molekularer Skala hauptsächlich mit Rastersondenmikroskopien, insbesondere mit Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie, untersucht. Dies erlaubte die Charakterisierung einer Reihe von Phänomenen, die sowohl an Fest-Flüssig-Grenzflächen auftreten, wie beispielsweise die Dynamik der einzelnen molekularen Nanostäbchen (Ostwald Reifung) und die Fraktionierung steifer Polymerstäbchen durch Physisorption an der Grafitoberfläche aus der Lösung heraus, als auch in trockenen Filmen vorkommen wie die Selbstorganisation steifer Polymerstäbchen zu Nanobändern mit molekularen Querschnitten, die sich epitaktisch auf Oberflächen orientieren lassen und auch die Ausbildung gestapelter Architekturen von diskförmigen Molekülen. Außerdem wurden die elektronischen Eigenschaften der untersuchten Systeme mit Hilfe von Photoelektronenspektroskopie charakterisiert. Die entwickelten Nanostrukturen sind nicht nur für Nanokonstruktionen auf festen Oberflächen von Interesse, sondern besitzen auch Eigenschaften, die sie für Anwendungen in einer zukünftigen molekularen Elektronik prädestiniert, etwa für den Aufbau molekularer Drähte. / In this thesis the self-assembly of pi-conjugated (macro)molecular architectures, either through chemisorption or via physisorption, into highly ordered supramolecular nanoscopic and microscopic structures has been studied. On solid substrates structure and dynamics has been investigated on the molecular scale making use primarily of Scanning Probe Microscopies, in particular Scanning Tunneling Microscopy and Scanning Force Microscopy. This allowed to characterize a variety of phenomena occurring both at the solid-liquid interface, such as the dynamics of the single molecular nanorods (known as Ostwald ripening), the fractionation of a solution of rigid-rod polymers upon physisorption on graphite; and in dry films, i.e. the self-assembly of rigid-rod polymers into nanoribbons with molecular cross sections which can be epitaxially oriented at surfaces and the formation ordered layered architectures of disc-like molecules. In addition the electronic properties of the investigated moieties have been studied by means of Photoelectron Spectroscopies. The nanostructures that have been developed are not only of interest for nanoconstructions on solid surfaces, but also exhibit properties that render them candidates for applications in the field of molecular electronics, in particular for building molecular nanowire devices.