Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 1999. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 194-205). Available also in a digital version from Dissertation Abstracts.

Three-dimensional nanocomposite networks consisting of percolated Si nanowires in a SiOx matrix, Si:SiO2, were studied. The structures were obtained by reactive ion beam sputter deposition of SiOx (x~0.6) thin films at 450 °C and subsequent crystallization using conventional oven as well as millisecond line focus laser annealing. Rutherford backscattering spectrometry, Raman spectroscopy, X-ray diffraction, cross-sectional and energy-filtered transmission electron microscopy were applied for sample characterization. While oven annealing resulted in a mean Si wire diameter of 10 nm and a crystallinity of 72 % within the Si volume, almost single-domain Si structures with 30 nm in diameter and almost free of amorphous Si were obtained by millisecond laser application. The structural differences are attributed to the different crystallization processes: Conventional oven tempering proceeds via solid state, millisecond laser application via liquid phase crystallization of Si. The 5 orders of magnitude larger diffusion constant in the liquid phase is responsible for the three times larger Si nanostructure diameter. In conclusion, laser annealing offers not only significantly shorter process times but moreover a superior structural order of nano-Si compared to conventional heating.

L'influence de la concentration totale en biopolymères et de la polydispersité de la protéine sur la formation et la stabilité de coacervats a été étudiée dans un mélange b-lactoglobuline/gomme d'acacia/eau. Les mélanges de b-lactoglobuline (b-lg) native ou agrégée (56% d'agrégats insolubles à pH 4,75) et de gomme d'acacia à des pH compris entre 3,6 et 5,0 sont caractérisés par une séparation de phase par coacervation complexe. Une concentration totale élevée en biopolymères limite l'influence du pH et du ratio de mélange protéine : polysaccharide sur la formation des coacervats dans les deux systèmes. En revanche, une forte polydispersité de la b-lg permet d'étendre l'aire de la zone biphasique des diagrammes de phases ternaires obtenus à pH 4,2. Des coacervats et des précipités sont obtenus en présence d'agrégats de b-lg. Seuls des coacervats sont visibles avec la b-lg native. Leur taille est contrôlée par les agrégats protéiques qui interagissent spécifiquement avec une fraction de la gomme d'acacia. La structure des coacervats est caractérisée par une vacuolisation issue d'une coalescence partielle des plus petits coacervats. Après interaction avec la gomme d'acacia, des mesures de dichroïsme circulaire indiquent une modification de la structure en hélice a de la b-lg, caractérisée par une densité de charge positive. La stabilité et la structuration des coacervats formés résultent d'un équilibre entre des phénomènes de floculation, coalescence et sédimentation des coacervats comme indiqué par des mesure de diffusion de la lumière en milieu turbide et microscopie confocale à balayage laser. Enfin, l'étude de la cinétique de structuration des mélanges b-lg/gomme d'acacia/eau par diffusion de la lumière aux petits angles, révèle des phénomènes de diffusionnels et hydrodynamiques responsables de la croissance des domaines structuraux. Dans certains cas, la cinétique de coacervation complexe peut être décrite par le modèle théorique de décomposition spinodale.

Zellen sind in der Lage, gleichzeitig ganz unterschiedliche biochemische Prozesse zu bewältigen. Dies gelingt ihnen durch eine Einteilung ihres Inneren in Kompartiemente, sogennante Organellen, die die jeweils geeignete biochemische Umgebung für die unterschiedlichen Aufgaben schaffen. Bei membranumschlossenen Kompartimenten ist leicht vorstellbar, dass sie eine andere biochemische Zusammensetzung als ihre Umgebung haben können. Jedoch existieren auch Organelle ohne Membran die durch eine flüssig-flüssig Phasenseparation entstehen. Manche dieser Kompartiemente haben die Fähigkeit, RNA zu binden und Proteinkomplexe auszubilden, während andere auf die Veränderungen innerhalb der Zelle, wie z.B. die Veränderung des pH-Werts und der damit Verbunden Änderung ihres Protonierungszustands, reagieren können. Um diese Prozesse theoretisch analysieren zu können, entwickeln wir zunächst ein allgemeingültiges, thermodynamisches Gerüst, um Systeme zu untersuchen, die im chemischen Gleichgewicht flüssig-flüssig hasensepariert vorliegen können. Dies erlaubt, basierend auf den Erhaltungsgrößen, im chemischen Gleichgewicht thermodynamisch konjungierten Variablen zu identifizieren, welche aus den erhaltenen Komponenten und den zugehörigen chemischen Potentialen bestehen. Mithilfe des obig erwähnten Gerüsts können wir den Einfluss des pH-Wertes auf die flüssig-flüssig Phasenseparation in einem minimalen Modell untersuchen. Dies beschreibt die makromolekulare Phasenseparation, kontrolliert durch Protonierungs- und Deprotonierungreaktionen, welche wiederum vom pH-Wert abhängig sind. Unsere Untersuchung der pH-Abhängigkeit der Phasenseparation kommt zu folgenden Ergebnissen: Erstens liegt die größte Region von Phasenseparation im Phasendiagramm typischerweise im Bereich des isoelektrischen Punkts. Zweitens zeigt das Modell eine Fähigkeit der erneuten Mischung auf. Drittens ist die Topologie des Phasendiagrams von der dominantesten Interaktion bestimmt. Unser Modell stimmt mit experimentellen Beobachtungen zur Phasenseparation von intrinsisch ungeordneten, Proteinen, deren Struktur sich pH abhängig verändern, überein. Das Modell ist außerdem konsistent mit Beobachtungen von Phasenseparation von Proteinen im Zytosol von Hefezellen, die entsteht, wenn der intrazellulare pH-Wert in die Nähe des isoelektrischen Punkt dieser Proteine gebracht wird. Des Weiteren geht diese Arbeit auf den physikalischen Mechanismus ein, mit dem flüssigkeitsähnliche Organellen, sog. P granules, im Organismus Caenorhabditis elegans positioniert werden. Um dieses Phänomen zu analysieren, stellen wir zunächst experimentelle Beobachtungen vor, die zeigen, dass PGL-3, eine Hauptkomponente der P granules, flüssigkeitsähnliche Tropfen bildet, deren Zusammensetzung von RNA moduliert werden kann. Darüber hinaus zeigen wir Daten, die großen Unterschiede zwischen der RNA-Bindungsaffinität von Proteinen wie Mex-5, die für die Positionierung der P granules relevant sind, und solchen, die P granules bilden, wie PGL-3, zeigen. Dies deutet darauf hin, dass eine Konkurrenz zwischen den Bestandteilen der P Granula und MEX-5 um die zur Bindung zur Verfügung stehende RNA besteht, die die Kondensation und Auflösung von P Granula räumlich kontrollieren könnte. Auf diesen experimentellen Befunden aufbauend führen wir ein minimalles Modell ein, in dem wir die Phasenseparation von PGL-3 an Bindungsreaktionen der MEX-5 Proteine und RNA koppeln. Um die experimentellen Beobachtungen beschreiben zu können, muss die Neigung des PGL-3 Proteins zur Phasenseparation zunehmen, wenn es Komplexe mit RNA bildet. Dies unterstützt die Idee, dass MEX-5 diese Phasenseparation unterdrückt, indem es die Anzahl an möglichen RNA-Bindungspartner für PGL-3 herabsetzt und damit die weitere Entstehung derartiger Protein-RNA-Komplexe erschwert. Dieser einfache Mechanismus scheint die Hauptursache dafür zu sein, dass P granules auf der posterioren Seite des Caenorhabditis elegans Embryos zu finden sind. / One of the main features of cells is their incredible ability to control biochemical processes in space and time. They do so by organizing their interior in sub-compartments called organelles, each of them with a different biochemical environment that allows them to perform specific tasks in the cell. It is sometimes believed that these compartments need a membrane in order to have a stable biochemical environment and regulat their compositions. However, there are some organelles which lack a membrane and seem to form and organize via liquid-liquid phase separation. Some of the components that form these membraneless organelles have the ability to bind to RNA and form complexes, while some others react to changes in the intracellular environment such as pH variations, which in turn affects their protonation state. In order to study these processes from a theoretical perspective, we develop a generic thermodynamic framework to study systems exhibiting liquid-liquid phase separation at chemical equilibrium. This framework, based on the use of conservation laws in chemical reactions, allow us to identify thermodynamic conjugate variables at chemical equilibrium, which are given by a set of conserved quantities and the corresponding conjugate chemical potentials. Within the aforementioned framework, we introduce a minimal model to study the effect of pH on liquid-liquid phase separation. Our model explains macromolecular phase separation controlled by protonation and deprotonation reactions, which are tuned by the pH of the system. We study the phase behavior of the system as a function of pH. Our main findings are: Firstly, the broadest region of phase separation is typically found at the isoelectric point. Secondly, the system exhibits reentrant behavior. Thirdly, that the dominating interaction in the system determines the topology of the phase diagrams. Our model is in agreement with experimental observations of in vitro protein phase separation of pH-responsive intrinsically disordered proteins, as well as with observations of protein phase separation exhibited by many cytosolic proteins when the intracellular pH in yeast cells is brought close to the isoelectric point of such proteins. Moreover, this work analyses the physical mechanism behind the positioning of liquid-like organelles in the {\it{Caenorhabditis elegans}} organism known as P granules. In order to study this phenomenon, we first present firm experimental evidence showing that PGL-3 protein, a key component of P granules, forms liquid-like drops whose assembly can be modulated by RNA. We then present data showing that the RNA-binding affinity differs significantly between proteins relevant for the positioning of P granules, such as MEX-5 and the proteins forming the P granules, like the aforementioned PGL-3. This points to a possible mechanism of RNA-binding competition between P granule constituents and MEX-5 in order to spatially control the condensation and dissolution of P granules. Based on the experimental evidence, we propose a minimal model in which we couple phase separation of PGL-3 to a set of binding reactions involving the MEX-5 protein and RNA. We find that in order to explain the experimental data, the tendency for phase separation of the PGL-3 protein increases with the formation of complexes of PGL-3 bound to RNA. This therefore supports the idea that MEX-5 inhibits this protein phase separation by depleting the RNA available for PGL-3 to form such complexes. This simple mechanism is at the core of how P granules localize to the posterior side of the Caenorhabditis elegans embryo.

Silizium basierende Technologie bestimmt den technologischen Fortschritt in der Welt und ist weiterhin ein Material für die weitere Entwicklung von Schlüsseltechnologien. Die Änderung der Silizium-Materialeigenschaft der optischen und elektronische Bandlücke durch die Reduktion der Materialdimension auf die Nanometerskala ist dabei von besonders großem Interesse. Die meisten Silizium-Nanomaterialien bestehen aus Punkt-, Kugel- oder Drahtformen. Ein relativ neues Materialsystem sind dreidimensionale, durchdringende, Nano-Komposit Netzwerke aus Silizium in einer Siliziumdioxid Matrix. Die vorliegende Arbeit untersucht die Entstehung von dreidimensionalen Silizium-Nanokomposit-Netzwerken durch Abscheidung eines siliziumreichen Siliziumoxids(SiOx, mit x<2) und anschlieÿender thermischen Behandlung. Hierbei wurden die reaktive Ionenstrahl-Sputterabscheidung (IBSD), sowie das reaktive Magnetronsputtern (RMS) verglichen. Auch wurden die Unterschiede zwischen klassischer Ofen und Millisekunden-Linienlaser Behandlung untersucht. Abgeschiedene und thermisch behandelte Dünnschichten wurden hinsichtlich der integralen Zusammensetzung, Homogenität, Morphologie und Struktur mittels Rutherford-Rückstreuspektroskopie, Ramanspektroskopie, Röntgenbeugung, spektroskopische Ellipsometrie, Photospektrometrie und (Energie gefilterter) Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Abhängig von der Abscheidemethode und des thermischen Ausheilprozesses wurden unterschiedliche Strukturgrößen und Kristallisationsgrade erzeugt. Insbesondere wurde gezeigt, dass während der 13 ms langen Laserbearbeitung (Ofen: 90 min) wesentlich größere Strukturen (laser:~50 nm; oven:~10 nm) mit einer deutlich höheren Kristallinität (laser:~92-99%; oven:~35-80%) entstehen. Darüber hinaus erhält sich die abscheidebedingte Morphologie nach der Ofenbehandlung, verschwindet jedoch nach der Laserprozessierung. Erklärt wurde dies mit einem Prozess über die flüssige Phase während der Laserbearbeitung, im Gegensatz zu einem Festphasenprozess bei der Ofenbehandlung. Abschließend wurde gezeigt, dass absichtlich eingebrachte vertikale und horizontale Schwankungen der Zusammensetzung genutzt werden können, um definierte Silizium Nanonetzwerke mit einer dreidimensionalen quadratischen Netzstruktur herzustellen.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 The silicon - silicon oxide system 2.1.1 The Si-O phase diagram 2.1.2 Chemical reaction consideration 2.2 Phase separation of binary systems 2.2.1 Phase separation regimes 2.2.2 Diffusion in solids 2.3 Different types of silicon nanostructures 2.3.1 0D - Silicon nanoparticles 2.3.2 1D - Silicon nanowires 2.3.3 3D - Silicon nanonetworks 3 Experimental methods 3.1 SiOx thin film deposition 3.1.1 SiOx thin films by ion beam sputter deposition 3.1.2 SiOx thin films by reactive magnetron sputter deposition 3.1.3 Comparison of ion beam and magnetron sputter deposition 3.2 Thermal processing of as-deposited SiOx thin films 3.2.1 Oven treatment 3.2.2 Laser treatment 3.3 Thin-film characterization 3.3.1 Rutherford backscattering 3.3.2 Spectroscopic ellipsometry and photospectrometry 3.3.3 Raman spectroscopy 3.3.4 X-ray diffraction 3.3.5 Transmission electron microscopy 4 Results 4.1 Accessible SiOx compositions as a function of deposition and annealing method 4.2 Structure and properties of ion beam sputter deposited SiOx thin films before and after thermal processing 4.2.1 Phase- and microstructure of SiO0:6 thin films deposited by ion beam sputter deposition at 450°C 4.2.2 Phase- and microstructure of SiO0.6 thin films deposited by ion beam sputter deposition at room temperature 4.3 Structure and properties of reactive magnetron sputter deposited SiOx thin films before and after thermal processing 4.4 Multilayer SiOx films for the generation of defined squared mesh structures 5 Discussion 5.1 Compositional homogeneity of SiO0:6 thin films before and after thermal treatment 5.2 Phase structure of as-deposited SiOx thin films 5.3 Influence of the thermal treatment on the structural properties of percolated Si:SiO2 nanostructures 5.3.1 Observed structural properties 5.3.2 Origin of different structure sizes - liquid vs. solid state crystallization 5.4 Influence of the deposition temperature during ion beam sputtering on the structural properties of percolated Si:SiO2 nanostructures before and after thermal processing 5.5 Influence of the deposition method on the structural properties of percolated Si:SiO2 nanostructures 5.6 Formation of interface layers and electrical characterization 6 Summary and outlook 6.1 Summary 6.2 Outlook A EFTEM imaging / Silicon-based technology determines the technological progress in the world significantly and is still a material of choice for further development of key technologies. In particular the reduction of silicon structure sizes to a nanometer scale are of great interest. Most silicon nano structures are based on spherical, dot-like or cylindrical, wire-like geometries. A relatively new material system are three dimensional percolated nanocomposite networks of silicon within a silica matrix. To form any of these nano structures fast, room temperature processes are desired which also offer the possibility of structure modification by different process management. The present work studies the formation of three-dimensional silicon nanocomposite networks by the deposition of a silicon rich silicon oxide (SiO x , with x < 2) and subsequent thermal treatment. Thereby, reactive ion beam sputter deposition (IBSD) as well as reactive magnetron sputtering (RMS) was compared. As well, the differences between a conventional oven and a millisecond line-focused diode laser were studied. As-deposited and thermally treated thin films were characterized with regard to the overall mean composition, homogeneity, morphology and structure by Rutherford backscattering, Raman spectroscopy, X-ray diffraction, spectroscopic ellipsometry, photospectrometry as well as cross-sectional and energy-filtered transmission electron microscopy. Depending on the deposition method as well as the thermal treatment process different structure sizes and degrees of crystallization were achieved. Most notably it was found, that during 13 ms laser processing (oven: min. 90 min), much bigger structures (laser: ≈ 50 nm; oven: ≈ 10 nm) with a notably higher degree of crystallization (laser: ≈ 92-99%; oven: ≈ 35-80%) evolve. Moreover, the structure morphology after deposition is preserved during oven treatment but diminishes following laser processing. This was explained by a process via the liquid phase for laser processing in contrast to a solid state process during oven treatment. Finally it was shown, that intentional introduced vertical and horizontal composition fluctuations can be used to form well-defined silicon nano-networks with a three dimensional square mesh structure.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 The silicon - silicon oxide system 2.1.1 The Si-O phase diagram 2.1.2 Chemical reaction consideration 2.2 Phase separation of binary systems 2.2.1 Phase separation regimes 2.2.2 Diffusion in solids 2.3 Different types of silicon nanostructures 2.3.1 0D - Silicon nanoparticles 2.3.2 1D - Silicon nanowires 2.3.3 3D - Silicon nanonetworks 3 Experimental methods 3.1 SiOx thin film deposition 3.1.1 SiOx thin films by ion beam sputter deposition 3.1.2 SiOx thin films by reactive magnetron sputter deposition 3.1.3 Comparison of ion beam and magnetron sputter deposition 3.2 Thermal processing of as-deposited SiOx thin films 3.2.1 Oven treatment 3.2.2 Laser treatment 3.3 Thin-film characterization 3.3.1 Rutherford backscattering 3.3.2 Spectroscopic ellipsometry and photospectrometry 3.3.3 Raman spectroscopy 3.3.4 X-ray diffraction 3.3.5 Transmission electron microscopy 4 Results 4.1 Accessible SiOx compositions as a function of deposition and annealing method 4.2 Structure and properties of ion beam sputter deposited SiOx thin films before and after thermal processing 4.2.1 Phase- and microstructure of SiO0:6 thin films deposited by ion beam sputter deposition at 450°C 4.2.2 Phase- and microstructure of SiO0.6 thin films deposited by ion beam sputter deposition at room temperature 4.3 Structure and properties of reactive magnetron sputter deposited SiOx thin films before and after thermal processing 4.4 Multilayer SiOx films for the generation of defined squared mesh structures 5 Discussion 5.1 Compositional homogeneity of SiO0:6 thin films before and after thermal treatment 5.2 Phase structure of as-deposited SiOx thin films 5.3 Influence of the thermal treatment on the structural properties of percolated Si:SiO2 nanostructures 5.3.1 Observed structural properties 5.3.2 Origin of different structure sizes - liquid vs. solid state crystallization 5.4 Influence of the deposition temperature during ion beam sputtering on the structural properties of percolated Si:SiO2 nanostructures before and after thermal processing 5.5 Influence of the deposition method on the structural properties of percolated Si:SiO2 nanostructures 5.6 Formation of interface layers and electrical characterization 6 Summary and outlook 6.1 Summary 6.2 Outlook A EFTEM imaging