In den letzten Jahren wurde umfangreich über Wirkprinzipien berichtet, die zur Verbesserung der Passivschichtstabilität von Fe-Basislegierungen durch Legierungsbestandteile, wie Cr [1-3] und Al [4-6] beitragen. Die Zahl der Arbeiten zu Untersuchungen mit dem Legierungsbestandteil Si sind dagegen gering und lassen noch keine endgültige Schlußfolgerung zu. Insbesondere sind verschiedene Wirkmechanismen bei unterschiedlichen ph-Werten zu erwarten.

The precise determination of the type and concentration of gases is of increasing importance in numerous applications. Despite the diverse operating principles of today´s gas sensors, technological trends can be summarized with the keyword miniaturization, because of the resulting benefits such as integrability and energy efficiency. This work deals with the development and fabrication of novel nanowire based gas sensors, which in comparison to conventional devices have an advantageous combination of high sensitivity and selectivity with low power consumption and small size. On the basis of grown silicon nanowires, sensors based on the functional principle of classical Schottky barrier field effect transistors with abrupt metal-semiconductor contacts are fabricated. The sensing performance of the devices is investigated with respect to the detection of ammonia. Ammonia concentrations down to 170 ppb are measured with a sensor response of more than 160 % and a theoretical limit of detection of 20 ppb is determined. Selectivity investigations show that no cross sensitivity to most common solvents occurring in living spaces exists. Moisture influences on the device are studied and reveal that the sensor responds within seconds, making it potentially suitable as humidity sensor. Moreover, it is shown that a higher relative humidity and higher temperatures decrease the sensor sensitivity. In terms of possible applications, it is a great advantage that the maximum sensitivity is achieved at 25 °C. With respect to sensitivity and selectivity an enhancement is demonstrated compared to most nanosensors known from the literature. Hence, the technology offers the potential to complement conventional measurement systems in future sensor technology especially in portable applications. / Die präzise Bestimmung der Art und Konzentration von Gasen erlangt in zahlreichen Anwendungsgebieten zunehmend an Bedeutung. Trotz der vielfältigen Wirkprinzipien heutiger Gassensoren lassen sich die technologischen Trends mit dem Schlagwort Miniaturisierung zusammenfassen, da sich daraus entscheidende Vorteile wie Integrierbarkeit und Energieeffizienz ergeben. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung neuartiger nanodrahtbasierter Gassensoren, welche im Vergleich zu klassischen Sensoren eine vorteilhafte Kombination von hoher Sensitivität und Selektivität bei geringem Stromverbrauch und geringer Größe aufweisen. Auf der Grundlage gewachsener Silizium-Nanodrähte werden Sensoren mit abrupten Metall-Halbleiter-Kontakten hergestellt, welche auf dem Funktionsprinzip klassischer Schottkybarrieren-Feldeffekttransistoren beruhen. Die Eignung der Sensoren wird in Bezug auf die Detektion von Ammoniak untersucht. Dabei kann eine minimale Ammoniakkonzentration von 170 ppb mit einer Signaländerung von mehr als 160 % gemessen werden, wobei die theoretische Nachweisgrenze mit 20 ppb ermittelt wird. Selektivitätsuntersuchungen zeigen, dass keine Querempfindlichkeit gegenüber den am häufigsten in Wohnräumen vorkommenden Lösungsmitteln besteht. Feuchtigkeitseinflüsse auf den Sensor werden untersucht und es wird nachgewiesen, dass der Sensor Ansprechzeiten im Sekundenbereich besitzt, was ihn zu einem potenziell geeigneten Feuchtigkeitssensor macht. Darüber hinaus wird gezeigt, dass eine höhere relative Luftfeuchtigkeit und höhere Umgebungstemperaturen die Sensorsensitivität verringern. In Bezug auf mögliche Einsatzgebiete stellt die maximale Empfindlichkeit bei 25 °C einen großen Vorteil da. Bezogen auf Sensitivität und Selektivität wird somit eine Verbesserung im Vergleich zu den meisten aus der Literatur bekannten Nanosensoren demonstriert. Damit bietet die Technologie das Potential, konventionelle Messsysteme in zukünftiger Sensorik vor allem in portablen Anwendungen zu ergänzen.

In dieser Arbeit wurde das moderne Spektroskopieverfahren „push-broom hyperspectral imaging“ für die Analyse von multikristallinem Silicium eingesetzt. Diese Methode ermöglicht das gleichzeitige Aufzeichnen mehrerer Spektren. Daraus ergeben sich kürzere Messzeiten im Vergleich zu anderen spektroskopischen Aufbauten. So konnten strahlende Defektübergänge in multikristallinem Silicium umfassend charakterisiert werden. Die strahlenden Defekte sind an Korngrenzen („grain boundaries“) lokalisiert, weshalb die Bezeichnungen GB1-4 vergeben wurden. Die elektrische Aktivität dieser strahlenden Defekte ist vernachlässigbar. Sie beeinflussen nicht den Wirkungsgrad von multikristallinen Siliciumsolarzellen. Verschiedene experimentelle Ergebnisse weisen darauf hin, dass es sich um ausgeschiedene Verunreinigungen an Korngrenzen handelt.

In der Arbeit werden Fehlstellen in der Silizium (2x1)-(111)-Oberfläche mit den ab-initio-Methoden DFT-LDA und GdW betrachtet. Zunächst werden dabei die bei dieser Oberfläche auftretenden Pandeyketten innerhalb der DFT-LDA näher betrachtet und der Einfluss zwischen und innerhalb der Ketten untersucht. Um den Einfluss der Phosphorfehlstelle zu betrachten wird ein System erstellt, das groß genug ist, um einzelne Defekte in der Oberfläche untersuchen zu können. Die Ergebnisse der DFT werden durch Berechnungen der Vielteilchenstörungstheorie GdW erweitert, wodurch gleichzeitig gezeigt werden konnte, dass sich die GdW auf Systeme mit 600 Elektronen anwenden lässt. Weiterhin wird durch Betrachtung der ortsaufgelösten DOS die Wechselwirkung der Phosphordotierung mit dem Siliziumkristall untersucht.

In the field of tyre technology, silica filled tyres are generally considered as a lower energy consumption product due to their lower rolling resistance characteristics. Additionally, they can offer excellent grip on the wet and snowy conditions which are more essential from the safety perspective. However, the proper dispersion of the silica in rubber compounds is one of the challenging tasks to engineers, physicist and chemist. In this thesis, a very controlled in-situ silica based solution styrene butadiene rubber composites were developed and intensively investigated by the synthesis of sol-gel silica in presence of polymer solution. It means the silica particles were allowed to grow in the presence of rubber in the reaction mixture. It was observed that the sizes of the synthesized silica particles are rather larger than standard precipitated commercial silica particles. In depth morphological investigation revealed that the obtained sol-gel silica particles appear in strong cluster form with primary particle size of 10 - 15 nm and final aggregated size of 200 to 400 nm. Nevertheless, the final mechanical performance and other rubber related properties of in-situ derived silica composites are better in many important aspects for technical applications as compared with commercial silica at a given loading of fillers. Owing to the presence of more active hydroxyl group on the surface of sol-gel silica, the effective coupling between silica and rubber has been established. Furthermore, the permanent trapped rubber chains inside the large aggregates of sol-gel silica particles enable the compounds to offer good mechanical reinforcement, higher resilience, and dynamic mechanical properties. The present work is a humble approach to pave an alternative novel way for silica-rubber composite preparation in order to minimize the problem of silica mixing with the rubbers. / Auf dem Gebiet der Reifentechnologie zeichnen sich Kieselsäure-(Silika)-gefüllte Reifen aufgrund ihres charakteristisch geringeren Rollwiderstands allgemein als ein Produkt mit geringerem Energieverbrauch aus. Darüber hinaus bieten sie ein hervorragendes Nasshaftvermögen, welches eine essentielle physikalische Kenngröße für die Fahrsicherheit darstellt. Allerdings stellt eine optimale Dispergierung der Silikafüllstoffs in Kautschukmischungen eine anspruchsvolle Aufgabe für Ingenieure, Physiker und Chemiker dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Silika / Styrol-Butadien-Kautschuk-Verbundwerkstoffe mittels eines in-situ Sol-Gel-lösungsmittelbasierten Reaktionsverfahrens entwickelt. Diese Technologie beruht auf der Nukleierung von Kieselsäure-Partikeln in Gegenwart des Elastomers in einer Syntheselösung. Dabei wurde beobachtet, dass die Partikel der so synthetisierten Silika-Teilchen größer sind, als die eines kommerziellen Standard-Silika-Füllstoffs. Eine umfassende morphologische Untersuchung zeigt, dass die in-situ synthetisierten Silikapartikel sphärisch sind und eine Primärteilchengröße von 10 bis 15 nm aufweisen. Diese nanoskaligen Teilchen agglomerieren sich zu größeren sphärischen Clustern mit einer Größe von 200 bis 400 nm und weisen somit eine andere Morphologie auf, als die kommerziell erhältlichen Silika-Füllstoffe. Die statisch- und dynamisch-mechanischen Eigenschaften, sowie weitere elastomerbezogene Eigenschaften der in-situ synthetisierten Silika/Styrol-Butadien-Kautschuk-Verbundwerkstoffe, wie z.B. Rückprallelastizität, mechanisch induzierte Wärmeentwicklung und Spannung-Dehnungshysterese, zeigen verbesserte Werte im Vergleich zu Elastomermaterialien gefüllt mit kommerzieller Kieselsäure. Eine erhöhte Anzahl von Hydroxylgruppen auf der Oberfläche der in-situ synthetisierten Silikapartikel, verbunden mit permanenter Adsorption der Polymerketten des Elastomers auf der Teilchenoberfläche ermöglicht die Ausbildung eines Elastomerverbundes mit verbesserter mechanischer Verstärkung mit oder ohne Einsatz eines haftvermittelnden Silans, wie z.B. TESPT (Bis [3-(triethoxysilyl)propyl]-tetrasulfid). Die Wechselwirkungen zwischen Elastomer und Füllstoff, zwischen den Füllstoffpartikeln, sowie der Verstärkungsmechanismus des in-situ synthetisierten Füllstoffes wurden mittels dynamischmechanischer Analyse (Amplitudentests), Festkörper-NMR und energiedispersiver Röntgenspektroskopie umfassend analysiert. Der vorliegende Ansatz verdeutlicht, dass die in-situ Generierung des Füllstoffes im Elastomer ein vielversprechendes und alternatives Verfahren zur Herstellung von Elastomermaterialien mit verbesserter Silika-Dispergierung, sowie erhöhter Elastomer-Füllstoff-Wechselwirkung bietet.

In dieser Arbeit werden Möglichkeiten zur Homogenisierung von Widerstandsprofilen entlang von phosphordotierten, gerichtet erstarrten, multikristallinen Silizium (mc-Si) Blöcken für PV-Anwendungen untersucht. Die im Rahmen der Dissertation durchgeführte analytische Untersuchung konzentriert sich auf den Phosphortransport in der Siliziumschmelze, an der Grenzfläche zwischen Kristall und Schmelze, an der Schmelzenoberfläche und in der Gasphase oberhalb der Schmelze. Es wurden drei Prozessparameter identifiziert, die den stärksten Einfluss auf die Phosphorverteilung in multikristallinen Blöcken haben: die Durchmischung der Schmelze, der Gesamtgasdruck in der Anlage und der Gasfluss über der Schmelze. Variationen in der Stärke der TMF sind sinnvoll, um die Phosphorverteilung entlang der Barrenhöhe zu beeinflussen. Ein schwaches TMF bewirkt eine gleichmäßigere Dotierstoffverteilung und führt zu einem verringerten spezifischen Widerstand des Blocks in den Anfangsstadien der Kristallisation, während ein starkes TMF einen signifikanten Effekt auf die Phosphorverdampfung hat und zu einem Anstieg des spezifischen Widerstandes zum Ende des Blocks hin führt. Die Ergebnisse der Experimente zeigten, dass die Verringerung des Gasdrucks zu einer deutlich verstärkten Phosphorverdampfung von der freien Schmelzenoberfläche führt und damit den spezifischen Widerstand des erstarrten Blocks erhöht, vor allem gegen dessen Ende hin. Die während der Studie gewonnenen Erkenntnisse wurden für die Optimierung der typischen G1-Wachstumsrezeptur verwendet. Die mit diesem Rezept gezüchteten G1 mc-Si Blöcke zeigen eine gleichmäßigere Widerstandsverteilung als solche, die mit einem typischen Rezept gezüchtet wurden. Die Widerstandsvariation wurde auf 55 % verringert und erfüllte den von der Marktspezifikation vorgegebenen Zielbereich von 3,0 - 1,0 Ω·cm. Die entwickelte Rezeptur wurde erfolgreich für die gerichtete Erstarrung mit Keimvorgabe übertragen. / The research described in this thesis is focused on homogenization of resistivity profiles along phosphorus-doped directionally solidified multicrystalline silicon (mc-Si) ingots for PV application. The analytical study conducted within the framework of the thesis is focused on phosphorus transport in the silicon melt, at the crystal-melt interface, at the melt surface and in the gaseous phase above the melt. Three process parameters were identified to have the most dominant influence on phosphorus distribution in multicrystalline ingots: melt mixing, furnace ambient gas pressure and gas flow above the melt. It was found that variations in strength of TMF could be used to control the phosphorus distribution along the ingot’s length. Weak TMF provokes more uniform dopant distribution and results in decreased ingot resistivity at the initial stages of crystallization, while strong TMF has more prominent effect on phosphorus evaporation that leads to the increase of resistivity towards the ingot’s end. The results of experiments demonstrated that reduction of ambient gas pressure leads to significantly intensified phosphorus evaporation from the free melt surface and increases the resistivity of the solidified ingot, especially towards its end. The findings obtained during the study were used for the adjustment of the typical G1 growth recipe. Conventional G1 mc-Si ingots grown using this recipe show more uniform resistivity distribution than those grown using a typical one. Resistivity variation was reduced to 55% and met the target range of 3.0 – 1.0 Ω·cm set by market specification. The developed recipe was successfully replicated for directional solidification seeded growth.

A compact device model along with simulations and an experimental analysis of a forward-biasedPNjunction-based silicon Mach-Zehndermodulator (MZM) with a phase-shifter length of 0.5 mm is presented. By placing the PN junction to a certain off-center such that72%of thewaveguide is p-doped, the refractive index swing at a given drive voltage swing is increased by 2% compared to the symmetric layout. The effects of the phase shifters’ length mismatch and asymmetric splitting on the modulation efficiency and extinction ratio of the modulator are simulated and compared with experimental results.Without any pre-emphasis or post-processing, a high-speed operation up to 15 Gb/s using a nonreturn-to-zero modulation format is demonstrated. A modulation efficiency (V πL) as low as 0.07 V × cm is verified and power consumption of 0.88 mW/Gb/s is recorded while a high extinction ratio of 33 dB is experimentally demonstrated. Compared to previously reported forward-biased silicon integrated modulators, without active tuning of the power splitting ratio between the arms, the extinction ratio is 10 dB higher. This MZM along with its compact structure is also sufficiently energy-efficient due to its low power consumption. Thus, it can be suitable for applications like analog signal processing and high-order amplitude modulation transmissions.

In dieser Arbeit wurden mit Hilfe einer Kombination aus „metal assisted chemical etching“ (MACE) und Polystyrol-Nanopartikel-Lithographie, Säulen-strukturierte Siliziumoberflächen mit verschiedenen Säulendurchmessern und –längen, wie auch unterschiedlichen Säulenabständen, synthetisiert. Das im Anschluss durchgeführte Elektropolier-Verfahren verhalf dabei, die durch den MACE-Prozess erhöhte Oberflächendefektdichte (DSS) zu reduzieren. Dieses Verfahren wurde von in situ Photolumineszenzmessungen unterstützt. Eine im Anschluss an das Elektropolierverfahren durchgeführte Methylpassivierung erwies sich als notwendig, um den Zustand der reduzierten DSS für einen längeren Zeitraum an Luft stabil zu halten. Die elektropolierten und methylpassivierten Oberflächen wurden als Substrate in Kombination mit dem leitfähigen Polymer PEDOT:PSS für die Herstellung von Hybridsolarzellen verwendet. Im Vergleich zu Zellen deren strukturierte Oberfläche nicht zuvor elektropoliert worden ist, kam es bei den zusätzlich elektropolierten Zellen zu einer Effizienzverbesserung und einer Erhöhung des Kurzschlussstroms (JSC). Elektrochemische Verfahren zur Veränderung der Säulen-Morphologie sind in dieser Arbeit ebenfalls untersucht worden. Um eine strukturierte Oberfläche auch in anderen Bereichen, wie etwa der Biosensorik, verwenden zu können, bedarf es neben der Methylpassivierung weiterer Formen der Funktionalisierung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Syntheseweg entwickelt, der es ermöglicht direkt an das Siliziumsubstrat gebundene Hydroxylgruppen zu erhalten, ohne dass es zu einer Bildung von intermediären Oxidschichten zwischen Substrat und den Hydroxylgruppen kommt. Diese wurden anschließend mit verschiedenen Silanen umgesetzt, um organische Gruppen an die Oberfläche zu binden. Die gebundenen Silanderivate können im Folgenden weiter modifiziert werden, um die selektive Anbindung von Biomolekülen zu ermöglichen. / Within this work, the “metal assisted chemical etching” (MACE) technique was combined with shadow nanosphere lithography to fabricate nanowire structured Si surfaces with different wire lengths and diameters. Electropolishing procedures subsequent to the wire growth resulted in a reduction of the surface defect density (DSS). The electropolishing procedure was directly monitored with the help of in situ photoluminescence spectroscopy. Previous works already observed a full and air stable surface passivation of flat Si surfaces by methylation. Also in the present work, the nanowire surfaces were methylated after the electropolishing procedure to preserve the reduced DSS. To determine the impact of this method on the solar cell performance, the electropolished and methylated surfaces were combined with the conductive polymer PEDOT:PSS. It revealed that the cells with the electropolished substrates exhibit a higher efficiency and an increased short circuit current (JSC). Different electrochemical procedures to change the wire morphology after the structuring have been investigated as well. To use the Si substrates for applications such as biosensing, different passivation/functionalization techniques besides the methylation are required. In this thesis, a new functionalization procedure was developed to obtain air stable hydroxyl groups that are directly bound to the Si substrate without an intervening oxide layer. To demonstrate the possibility to use these hydroxyl groups in the same way as the hydroxyl groups present on a Si oxide layer, further modifications with different silane species, such as APTES and AMMS, were conducted. In order to generate a more selective anchor group, the bound APTES molecules were further modified by a maleimide derivative, which allow for the selective binding of thiol-containing molecules.

In der vorliegenden Arbeit wird der Nachweis erbracht, dass ein miniaturisiertes Schrittschaltwerk aus einkristallinem Silizium mittels verfügbarer Mikrotechnologien realisierbar ist. Dazu wird die aus der Feinwerktechnik bekannte mechanische Anordnung so angepasst, dass sie mit den Möglichkeiten der gewählten Technologien herstellbar wird. Eine Besonderheit ist die Verwendung flexibler Gelenke. Dadurch entfallen Montage und Justage, die Struktur ist monolithisch. Auch der Werkstoff und das Aktuationsprinzip unterscheiden sich von denen herkömmlicher Schrittschaltwerke. Wegen seiner ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften wird einkristallines Silizium ausgewählt. Bei den Antrieben kommt das elektrostatische Wirkprinzip zur Anwendung. Nach einer Einführung in das Themengebiet werden Entwurf und Herstellung des Schrittschaltwerkes behandelt. Die Beschreibung der messtechnischen Charakterisierung und ihrer Ergebnisse schließt sich an. Ein Ausblick auf mögliche Applikationen bildet den Abschluss der Arbeit.

Aufgrund von signifikanten Volumenänderungen der Elektrodenmaterialien von Lithiumionen Batterien im Betrieb nimmt auch das Verständnis des mechanischen Verhaltens eine essentielle Rolle ein. Zum einen gibt es noch immer offene Fragen zum mechanischen Verhalten von kommerziell bereits genutzten Materialien. Zum anderen wurde für potentielle neue Materialien, welche sonst exzellente Kennwerte für den Einsatz als Elektrodenmaterialien aufweisen, gezeigt, dass die mechanische Degradation bei der Zyklisierung den Flaschenhals für eine erfolgreiche Einführung darstellt. In dieser Arbeit wurde die Veränderung der mechanischen Eigenschaften von geordnetem (HOPG/Graphit) und ungeordnetem (Glassy Carbon) Kohlenstoff, Silizium und Aluminium gemessen. Hierfür wurde eigens ein neuer experimenteller in-situ Aufbau entwickelt. Er erlaubt die elektrochemische Manipulation der Probe in einer elektrochemischen Zelle und kombiniert erstmals die quantitative Messung der mechanischen Eigenschaften µm-skaliger Einkristalle durch einen MTS G200 XP Nanoindenter bei zeitlicher Synchronisation. Per Nanoindentierung und Mikrodruckversuchen konnten elastischer Modul, Härte und Fließ- bzw. Bruchspannung der Elektrodenmaterialien bei verschiedenen Beladungszuständen gemessen werden. Zusätzlich erlaubt der Aufbau eine neuartige experimentelle Untersuchung der Kopplung zwischen elektrochemischem Potential des Lithiums und dem mechanischen Spannungszustand in einer Elektrode. Silizium zeigte eine klare Absenkung von elastischen Modul und Härte bei der Bildung von amorphem LixSi. Es wurden belastbare Werte für den elastischen Modul und die Härte von LixSi gemessen, welche eine gute Übereinstimmung mit verfügbaren Literaturwerten zeigen. Zusätzlich wurden mehrere Aspekte zur elektrochemischen Lithiierung enthüllt. In frühem Stadium der Lithiierung wurden auf (111)-Oberflächen vereinzelt amorphe Inseln gefunden und diesbezüglich ein Modell für heterogene Keimbildung vorgeschlagen. Zusätzlich konnte ein, der Amorphisierung vorgelagerter, Zwischenschritt der Lithiierungsreaktion identifiziert werden. Gleichzeitig verhinderte dieser Zwischenschritt aber eine quantitative Analyse des Kopplungseffekts zwischen mechanischer Spannung und elektrochemischem Potential des Lithiums. Für Graphit (HOPG) wurde unter anwendungsnahen Bedingungen bei vergleichsweise schneller Interkalation mit Lithium erstmals eine bisher nicht bekannte signifikante Reduzierung der Festigkeit festgestellt. Auch ungeordneter Kohlenstoff (Glassy Carbon) zeigte nach der Interkalation mit Lithium eine Festigkeits- und Modulabsenkung. Bezüglich der Anwendung dieser Materialien ist von einer hohen Relevanz dieser Ergebnisse auszugehen. Auch Aluminium zeigte bei der elektrochemischen Legierung mit Lithium eine Reduzierung von elastischem Modul und Härte. Vergleichbare Messungen aus der Literatur sind nicht bekannt. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse bedeuten einen wichtigen Erkenntnisgewinn im Hinblick auf eine Verbesserung bekannter und eine erfolgreiche Einführung neuer Elektrodenmaterialien für Lithiumionen Batterien. Somit unterstützt diese Arbeit bei der Umsetzung einer signifikanten Erhöhung der Energie- und Leistungsdichten dieses Energiespeichers.