In the present work, the influence of the morphology of thin ferromagnetic films on their static as well as dynamic magnetic properties was investigated by means of broadband ferromagnetic resonance (FMR). Using an ion beam erosion process the surface of the substrates was periodically modulated (ripples), where the modulation wavelength is determined by the ion energy. In this way a well-controllable roughness profile evolves ranging from a few ten up to several hundreds of nanometers in wavelength. The substrate’s surface profile in turn is repeated by films grown on top offering an easy and fast approach to investigate morphology influences on the magnetic properties. This work aims on modifications of the magnetic anisotropy as well as the FMR linewidth of the magnetic relaxation process. Prior to magnetic investigations the existing FMR setup was extended to measure FMR spectra at a fixed microwave frequency while sweeping the external magnetic field. Furthermore, a software toolbox was developed to perform the data processing and evaluation. Starting with the morphology influence on the magnetic anisotropy 10 nm thin Fe, Co, and Ni81Fe19 (Permalloy ≡ Py) films were deposited on rippled Si substrates. Due to Si displacements during ion erosion and natural oxidation the rippled Si substrates exhibit an amorphous surface causing a polycrystalline material growth. This leads to a suppression of magneto-crystalline anisotropy leaving only morphology-induced anisotropy contributions. Here, a uniaxial magnetic anisotropy (UMA) was observed that aligns its easy axis with the ripple ridges, whereas its strength decays with increasing ripple wavelength for all materials. From thickness-dependent measurements two characteristic regions were determined with competing uniaxial volume and surface anisotropy contributions. Underlined by micromagnetic simulations a dominant volume contribution was found in the thin region accompanied by magnetic moments nearly following the surface corrugation. In the thick region the UMA is controlled by dipolar stray fields at the surface. In contrast to Si, ion eroded MgO keeps its crystal structure offering epitaxial growth of 10 nm thin single-crystalline Fe films. Consequently, a superposition of morphology-induced UMA and magneto-crystalline cubic anisotropy was observed. The direction of the ripple ridges is predetermined by the incident ion beam, which allows to freely orient the UMA’s direction with respect to the cubic anisotropy, offering a possibility for anisotropy engineering. In comparison to the planar reference case rippled magnetic films exhibit lower intrinsic and extrinsic relaxation contributions. For the final part, 30 nm Py was grown on rippled Si covering modulation wavelengths λ ranging from 27 to 432 nm. Using magnetic force microscopy and holography measurements the dipolar stray fields above and inside the magnetic layer were characterized. For λ ≥ 222 nm, the stray fields act as scattering centers for spin waves triggering two-magnon scattering (TMS). This causes an apparent line broadening generating distinct peaks in the frequency-dependent linewidth whose position can be tuned by altering λ. These effects are understood in the framework of a perturbation theory of spin waves in periodically perturbed films recently presented in the literature. Furthermore, the in-plane angular dependence of the linewidth revealed a two-fold symmetry, which is not present for vanishing TMS at small λ. / In Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss der Morphologie eines dünnen ferromagnetischen Films auf dessen statische und dynamische Eigenschaften mittels breitbandiger ferromag- netischer Resonanz (FMR) untersucht. Durch Ionenstrahl-Erosion wurde die Oberfläche des verwendeten Substrats periodisch moduliert (Ripple), wobei die Wellenlänge der Modulation durch die Ionenenergie bestimmt ist. Dies ermöglicht die kontrollierte Herstellung rauer Oberflächen mit Wellenlängen zwischen wenigen zehn bis zu einigen hundert Nanometern. Werden auf diesen Oberflächen Filme abgeschieden, übernehmen diese die Modulation. Somit ergibt sich eine einfache und schnelle Untersuchungsmöglichkeit der magnetischen Filmeigenschaften in Hinblick auf die Morphologie. Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von Morphologieeinflüssen auf die magnetische Anisotropie sowie FMR-Linienbreite. Im Vorfeld der magnetischer Untersuchungen wurde der bestehende FMR-Aufbau um einen Messmodus erweitert, sodass Messungen bei fester Mikrowellenfrequenz und gleichzeitigem Durchfahren eines externen magnetischen Feldes möglich wurden. Weiterhin wurde ein Softwarepaket für die Datenauswertung entwickelt. Beginnend mit dem Morphologieeinfluss auf die magnetische Anisotropie wurden 10 nm dünne Fe, Co und Ni81Fe19 (Permalloy ≡ Py) Filme auf periodisch moduliertem Si abgeschieden. Durch Versetzungen während der Ionenstrahl-Erosion und Bildung einer natürlichen Oxidschicht bildet sich bei den verwendeten Substraten eine amorphe Oberfläche, was zu polykristallinem Schichtwachstum führt. Dadurch wird die magneto-kristalline Anisotropie unterdrückt und morphologie-induzierte Beiträge bestimmen die Anisotropie. Beobachtet wurde eine induzierte uniaxiale magnetische Anisotropie (UMA), deren leichte Richtung sich entlang der Ripple-Wellenzüge ausrichtet. Mittels schichtdickenabhängigen Messungen wurden zwei charakteristische Regionen mit konkurrierender uniaxialer Volumen- und Oberflächenanisotropie ermittelt. Dabei ist die Volumenkomponente im Bereich dünner Schichten vorherrschend und die magnetischen Momente richten sich entlang der Oberflächenmodulation aus. Für dickere Schichten ist die UMA dahingegen durch dipolare Streufelder bestimmt. Die experimentellen Funde werden in beiden Bereichen durch mikromagnetische Simulationen untermauert. Im Gegensatz zu erodiertem Si behält MgO seine Kristallstruktur, was epitaktisch gewachsene, einkristalline Fe-Schichten von 10 nm Dicke ermöglicht. Folglich wurde eine Überlagerung aus induzierter und kristalliner Anisotropie beobachtet. Dadurch, dass die Richtung der Ripple durch die Richtung des Ionenstrahls während der Erosion vorgegeben wird, lässt sich die UMA frei gegen die kristalline Anisotropie drehen, was wiederum Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung der Anisotropie bietet. Im Hinblick auf die dynamischen magnetischen Eigenschaften führen Ripple zu einer Verringerung der intrinsischen und extrinsischen Relaxationsbeiträge. Für den letzten Teil der Arbeit wurde 30 nm dünnes Py auf Si-Ripple gewachsen, wobei ein Wellenlängenbereich von λ = 27 nm bis 432 nm abgedeckt wurde. Mit Hilfe von magnetischer Kraftmikroskopie und Holographie wurden die dipolaren Streufelder über und in den Filmen untersucht. Ab λ ≥ 222 nm ermöglichen diese dipolaren Felder eine Streuung von Spinwellen, sodass Zwei-Magnonen-Streuung (TMS) auftritt. Dies führt zu einer scheinbaren Linienverbreiterung und äußert sich durch einzelne Peaks in der frequenzabhängigen Linienbreite. Letztere lassen sich in ihrer Frequenzposition durch die Wellenlänge des Substrates beeinflussen und können mittels einer kürzlich in der Literatur veröffentlichten Störungstheorie für Spinwellen in periodisch gestörten Filmen erklärt werden. Weiterhin wurde in der winkelabhängigen Linienbreite eine zweifache Symmetrie beobachtet, welche durch die TMS hervorgerufen wird und folglich nicht bei kleinen Wellenlängen zu beobachten ist.

Es werden ab-initio Rechnungen des Supermagnetwiderstands-Effektes von Fe/Cr-Multilagen vorgestellt. Die Elektronenstruktur wurde im Rahmen einer LCAO-Superzellen-Rechnung bestimmt. Als Störung der idealen Schichtstruktur wurden Cr-Defekte in Fe angenommen, die durch spinabhängige Relaxationszeiten beschrieben werden. Die elektrischen Transportkoeffizienten wurden durch Lösung der linearisierten Boltzmann-Gleichung in Relaxationszeitnäherung unter Verwendung des Mott-schen Zweistrommodells berechnet. Bei den betrachteten Systemen variierte die Dicke der Fe-Schicht zwischen 3 und 9 Monolagen, die der Cr-Schicht zwischen 1 und 13 Monolagen. In Abhängigkeit von der Fe- bzw. Cr-Schichtdicke ergeben sich in Übereinstimmung mit den Experimenten charakteristische Oszillationen des Supermagnetwiderstandes. Es wird der Einfluß der Spinanisotropie der Streuung auf den Effekt untersucht. Insbesondere kann gezeigt werden, daß der Effekt auch für spinunabhängige Streuung existiert. / Ab-initio calculations of the Giant Magnetoresistance (GMR) for Fe/Cr multilayers are presented. The electronic structure of the Fe/Cr superlattice is calculated within an optimized LCAO scheme using the local spin density approximation. The scattering of the electrons by Cr impurities in an Fe environment is taken into account by spin dependent relaxation times. The transport is described quasiclassically by solving the linearized Boltzmann equation in relaxation time approximation. In agreement with experiments characteristic oscillations of the GMR are obtained in dependence on the Cr and Fe layer thickness. It can be shown, that the GMR can be reduced or increased by the spin anisotropy of the scattering, but the phenomenon still exists for spin-independent scattering.

In situ and online Raman spectroscopy - also known as Raman monitoring - offers the excellent opportunity among other possibilities for the evaluation of Raman spectra to investigate semiconductor layers during their growth without any interruption. Not only the surface properties of such layers can be studied, also simultaneously the substrate and the interface layer/substrate can be analysed. This study presents the analysis of growth processes of ZnS/sub x/Se/sub(1-x)/ and GaN layers as well the investigation of nitrogen doped ZnSe:N. Molecular beam epitaxy (MBE) was used for the fabrication of these layers. The analysis of the Raman spectra was focused on the chemical composition of the semiconductor material, the stress in layer and substrate, the incorporation of extraneous atoms like nitrogen radicals into a crystal, the doping and structural order of the semiconductor and as well on the crystalline and amorphous phase of the material. Additionally to the MBE growth processes, the temperature induced resonant Raman scattering of ZnS/sub x/Se/sub(1-x)/ and ZnSe:N and also the desorption, adsorption and phase transition of a-As, a-Se and Sb were studied. Further investigations were undertaken on the nitridation of GaAs(100) by means of a nitrogen plasma generated in an rf-plasma source. The properties and changes of the semiconductor layers and the substrate depending on the layer thickness during growth are evaluated. The results are compared with theoretical models (e.g. spatial correlation model and modified random-element-isodisplacement (MREI) model). / In situ- und online-Raman-Spektroskopie – oder auch Raman-Monitoring genannt – bietet unter anderem die ausgezeichnete Möglichkeit, das Wachstum von Halbleiterschichten ohne Unterbrechung zu verfolgen. Dabei können nicht nur die Oberflächeneigenschaften untersucht werden, sondern es können gleichzeitig auch Informationen über das Substrat und über die Grenzfläche Schicht/Substrat gemacht werden. In der vorliegenden Arbeit wurden die Wachstumsprozesse von ZnS/sub x/Se/sub(1-x)/- und GaN-Schichten sowie des stickstoffdotierten ZnSe:N untersucht. Zur Schichtherstellung wurde die Molekularstrahlepitaxie (MBE) verwendet. Das Hauptaugenmerk wurde dabei auf die chemische Zusammensetzung der Halbleitermaterialien, Verspannungen von Schicht und Substrat, auf den Einbau von Fremdatomen wie Stickstoffradikale in ein Kristall, die Dotierung und die strukturelle Ordnung der Halbleiter sowie deren kristalline und amorphe Phase gerichtet. Neben den MBE-Wachstumsprozessen wurden temperaturinduzierte resonante Raman-Streuung an ZnS/sub x/Se/sub(1-x)/ und ZnSe:N sowie Desorptions-, Adsorptions- und Phasenübergänge von a-As, a-Se und Sb studiert. Die Nitridierung von GaAs(100) mittels eines Stickstoffplasmas aus einer rf-Quelle wurde ebenso untersucht. Die Eigenschaften und Veränderungen der Halbleiterschichten und der Substrate während des Wachstums werden in Abhängigkeit von der Schichtdicke dargelegt. Die Ergebnisse werden mit entsprechenden theoretischen Modellen (z.B. Spatial-Correlation-Modell und Modified Random-Element-Isodisplacement (MREI)-Modell) verglichen.

The vibrational wave-packet dynamics of diatomic rubidium molecules (Rb2) in triplet states formed on the surface of superfluid helium nanodroplets is investigated both experimentally and theoretically. Detailed comparison of experimental femtosecond pump–probe spectra with dissipative quantum dynamics simulations reveals that vibrational relaxation is the main source of dephasing. The rate constant for vibrational relaxation in the first excited triplet state 13Σ+g is found to be constant γ ≈ 0.5 ns−1 for the lowest vibrational levels v [less, similar] 15 and to increase sharply when exciting to higher energies. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In the present work, the influence of the morphology of thin ferromagnetic films on their static as well as dynamic magnetic properties was investigated by means of broadband ferromagnetic resonance (FMR). Using an ion beam erosion process the surface of the substrates was periodically modulated (ripples), where the modulation wavelength is determined by the ion energy. In this way a well-controllable roughness profile evolves ranging from a few ten up to several hundreds of nanometers in wavelength. The substrate’s surface profile in turn is repeated by films grown on top offering an easy and fast approach to investigate morphology influences on the magnetic properties. This work aims on modifications of the magnetic anisotropy as well as the FMR linewidth of the magnetic relaxation process. Prior to magnetic investigations the existing FMR setup was extended to measure FMR spectra at a fixed microwave frequency while sweeping the external magnetic field. Furthermore, a software toolbox was developed to perform the data processing and evaluation. Starting with the morphology influence on the magnetic anisotropy 10 nm thin Fe, Co, and Ni81Fe19 (Permalloy ≡ Py) films were deposited on rippled Si substrates. Due to Si displacements during ion erosion and natural oxidation the rippled Si substrates exhibit an amorphous surface causing a polycrystalline material growth. This leads to a suppression of magneto-crystalline anisotropy leaving only morphology-induced anisotropy contributions. Here, a uniaxial magnetic anisotropy (UMA) was observed that aligns its easy axis with the ripple ridges, whereas its strength decays with increasing ripple wavelength for all materials. From thickness-dependent measurements two characteristic regions were determined with competing uniaxial volume and surface anisotropy contributions. Underlined by micromagnetic simulations a dominant volume contribution was found in the thin region accompanied by magnetic moments nearly following the surface corrugation. In the thick region the UMA is controlled by dipolar stray fields at the surface. In contrast to Si, ion eroded MgO keeps its crystal structure offering epitaxial growth of 10 nm thin single-crystalline Fe films. Consequently, a superposition of morphology-induced UMA and magneto-crystalline cubic anisotropy was observed. The direction of the ripple ridges is predetermined by the incident ion beam, which allows to freely orient the UMA’s direction with respect to the cubic anisotropy, offering a possibility for anisotropy engineering. In comparison to the planar reference case rippled magnetic films exhibit lower intrinsic and extrinsic relaxation contributions. For the final part, 30 nm Py was grown on rippled Si covering modulation wavelengths λ ranging from 27 to 432 nm. Using magnetic force microscopy and holography measurements the dipolar stray fields above and inside the magnetic layer were characterized. For λ ≥ 222 nm, the stray fields act as scattering centers for spin waves triggering two-magnon scattering (TMS). This causes an apparent line broadening generating distinct peaks in the frequency-dependent linewidth whose position can be tuned by altering λ. These effects are understood in the framework of a perturbation theory of spin waves in periodically perturbed films recently presented in the literature. Furthermore, the in-plane angular dependence of the linewidth revealed a two-fold symmetry, which is not present for vanishing TMS at small λ. / In Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss der Morphologie eines dünnen ferromagnetischen Films auf dessen statische und dynamische Eigenschaften mittels breitbandiger ferromag- netischer Resonanz (FMR) untersucht. Durch Ionenstrahl-Erosion wurde die Oberfläche des verwendeten Substrats periodisch moduliert (Ripple), wobei die Wellenlänge der Modulation durch die Ionenenergie bestimmt ist. Dies ermöglicht die kontrollierte Herstellung rauer Oberflächen mit Wellenlängen zwischen wenigen zehn bis zu einigen hundert Nanometern. Werden auf diesen Oberflächen Filme abgeschieden, übernehmen diese die Modulation. Somit ergibt sich eine einfache und schnelle Untersuchungsmöglichkeit der magnetischen Filmeigenschaften in Hinblick auf die Morphologie. Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von Morphologieeinflüssen auf die magnetische Anisotropie sowie FMR-Linienbreite. Im Vorfeld der magnetischer Untersuchungen wurde der bestehende FMR-Aufbau um einen Messmodus erweitert, sodass Messungen bei fester Mikrowellenfrequenz und gleichzeitigem Durchfahren eines externen magnetischen Feldes möglich wurden. Weiterhin wurde ein Softwarepaket für die Datenauswertung entwickelt. Beginnend mit dem Morphologieeinfluss auf die magnetische Anisotropie wurden 10 nm dünne Fe, Co und Ni81Fe19 (Permalloy ≡ Py) Filme auf periodisch moduliertem Si abgeschieden. Durch Versetzungen während der Ionenstrahl-Erosion und Bildung einer natürlichen Oxidschicht bildet sich bei den verwendeten Substraten eine amorphe Oberfläche, was zu polykristallinem Schichtwachstum führt. Dadurch wird die magneto-kristalline Anisotropie unterdrückt und morphologie-induzierte Beiträge bestimmen die Anisotropie. Beobachtet wurde eine induzierte uniaxiale magnetische Anisotropie (UMA), deren leichte Richtung sich entlang der Ripple-Wellenzüge ausrichtet. Mittels schichtdickenabhängigen Messungen wurden zwei charakteristische Regionen mit konkurrierender uniaxialer Volumen- und Oberflächenanisotropie ermittelt. Dabei ist die Volumenkomponente im Bereich dünner Schichten vorherrschend und die magnetischen Momente richten sich entlang der Oberflächenmodulation aus. Für dickere Schichten ist die UMA dahingegen durch dipolare Streufelder bestimmt. Die experimentellen Funde werden in beiden Bereichen durch mikromagnetische Simulationen untermauert. Im Gegensatz zu erodiertem Si behält MgO seine Kristallstruktur, was epitaktisch gewachsene, einkristalline Fe-Schichten von 10 nm Dicke ermöglicht. Folglich wurde eine Überlagerung aus induzierter und kristalliner Anisotropie beobachtet. Dadurch, dass die Richtung der Ripple durch die Richtung des Ionenstrahls während der Erosion vorgegeben wird, lässt sich die UMA frei gegen die kristalline Anisotropie drehen, was wiederum Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung der Anisotropie bietet. Im Hinblick auf die dynamischen magnetischen Eigenschaften führen Ripple zu einer Verringerung der intrinsischen und extrinsischen Relaxationsbeiträge. Für den letzten Teil der Arbeit wurde 30 nm dünnes Py auf Si-Ripple gewachsen, wobei ein Wellenlängenbereich von λ = 27 nm bis 432 nm abgedeckt wurde. Mit Hilfe von magnetischer Kraftmikroskopie und Holographie wurden die dipolaren Streufelder über und in den Filmen untersucht. Ab λ ≥ 222 nm ermöglichen diese dipolaren Felder eine Streuung von Spinwellen, sodass Zwei-Magnonen-Streuung (TMS) auftritt. Dies führt zu einer scheinbaren Linienverbreiterung und äußert sich durch einzelne Peaks in der frequenzabhängigen Linienbreite. Letztere lassen sich in ihrer Frequenzposition durch die Wellenlänge des Substrates beeinflussen und können mittels einer kürzlich in der Literatur veröffentlichten Störungstheorie für Spinwellen in periodisch gestörten Filmen erklärt werden. Weiterhin wurde in der winkelabhängigen Linienbreite eine zweifache Symmetrie beobachtet, welche durch die TMS hervorgerufen wird und folglich nicht bei kleinen Wellenlängen zu beobachten ist.

Die Raman-Spektroskopie ist eine der nützlichsten optischen Methoden zur Untersuchung der Phononen organischer und anorganischer Materialien. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen und der damit einhergehenden Verkleinerung der Strukturen von der Mikrometer- zur Nanometerskala nehmen das Streuvolumen und somit auch das Raman-Signal drastisch ab. Daher werden neue Herangehensweisen benötigt um sie mit optischer Spektroskopie zu untersuchen. Ein häufig genutzter Ansatz um die Signalintensität zu erhöhen ist die Verwendung von Resonanz-Raman-Streuung, das heißt dass die Anregungsenergie an die Energie eines optischen Überganges in der Struktur angepasst wird. In dieser Arbeit wurden InAs/Al(Ga)As-basierte Multilagen mit einer Periodizität unterhalb des Beugungslimits mittels Resonanz-Mikro-Raman-Spektroskopie und Raster-Kraft-Mikroskopie (AFM) den jeweiligen Schichten zugeordnet. Ein effizienterer Weg um die Raman-Sensitivität zu erhöhen ist die Verwendung der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS). Sie beruht hauptsächlich auf der Verstärkung der elektromagnetischen Strahlung aufgrund von lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanzen in Metallnanostrukturen. Beide oben genannten Signalverstärkungsmethoden wurden in dieser Arbeit zur oberflächenverstärkten Resonanz-Raman-Streuung kombiniert um geringe Mengen organischer und anorganischer Materialien (ultradünne Cobalt-Phthalocyanin-Schichten (CoPc), CuS und CdSe Nanokristalle) zu untersuchen. Damit wurden in beiden Fällen Verstärkungsfaktoren in der Größenordnung 103 bis 104 erreicht, wobei bewiesen werden konnte, dass der dominante Verstärkungsmechanismus die elektromagnetische Verstärkung ist. Spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie (TERS) ist ein Spezialfall von SERS, bei dem das Auflösungsvermögen von Licht unterschritten werden kann, was zu einer drastischen Verbesserung der lateralen Auflösung gegenüber der konventionellen Mikro-Raman-Spektroskopie führt. Dies konnte mit Hilfe einer Spitze erreicht werden, die als einzelner plasmonischer Streuer wirkt. Dabei wird die Spitze in einer kontrollierten Weise gegenüber der Probe bewegt. Die Anwendung von TERS erforderte zunächst die Entwicklung und Optimierung eines AFM-basierten TERS-Aufbaus und TERS-aktiver Spitzen, welche Gegenstand dieser Arbeit war. TERS-Bilder mit Auflösungen unter 15 nm konnten auf einer Testprobe mit kohlenstoffhaltigen Verbindungen realisiert werden. Die TERS-Verstärkung und ihre Abhängigkeit vom Substratmaterial, der Substratmorphologie sowie der AFM-Betriebsart wurden anhand der CoPc-Schichten, die auf nanostrukturierten Goldsubstraten abgeschieden wurden, evaluiert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die hohe örtliche Auflösung der TERS-Verstärkung die selektive Detektion des Signals weniger CdSe-Nanokristalle möglich macht.

Durch neue Ansätze zur Charakterisierung molekularer und nanokristalliner Materialien spiegelt die vorliegende Arbeit die Synergie von linearer Optik über Ultrakurzzeitphysik zur nichtlinearen Optik wider. Angefangen mit der linearen diffusen Reflektanz (Remission) zur Bestimmung des spektralen Reflexionsvermögens von Pulverpartikeln, erlaubt die hier gezeigte alternative Herangehensweise (s. Kapitel 2) nicht nur ein vereinfachtes Messen der Remission zur Analyse von Materialzusammensetzungen, Verunreinigungen und Co-Dotierungen, sondern eröffnet zudem über Monte-Carlo Simulationen, kombiniert mit der Kubelka-Munk Theorie und der Mie Streuung, auch den Zugang zu dem ansonsten experimentell unzugänglichen Absorptionskoeffizienten von nicht-transluzenten Proben. Die präsentierten Mess- und Simulationsergebnisse an Pulvertabletten aus Rutil-Titandioxid (TiO2) und Cer-dotierten Yttrium Aluminium Granat (YAG:Ce3+) sind mit den bisherigen in der Literatur vorliegenden Ergebnissen konsistent oder zumindest vergleichbar. Auch lassen sich nach Modifikation der Kubelka-Munk Funktion die Bandkanten-Energien Eg der mikro- und nanokristallinen Pulverproben mittels so genannter Tauc Plots verifizieren. Basierend auf einer starken Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit lassen sich die Emissionsspektren der oben genannten YAG:Ce3+-Leuchtstoffe aufgrund von Überlappung oder Verschiebung der energetischen Grundniveaus 2F5/2 und 2F7/2 variieren (s. Kapitel 3). Während sich bei Tieftemperaturen um 19K die doppelbandige Natur der Leuchtstoffe zeigt, verbreitern sich die Emissionsbanden bei Raumtemperatur zu einer Einzelbande, womit eine spektral sehr breite Fluoreszenz einhergeht. Mathematische Entfaltungen dieser Spektren zeigen jeweils den prozentualen Beitrag der Relaxation aus dem untersten angeregten Zustand 5d1 in einen der beiden Grundzustände 2F5/2 und 2F7/2 und ebenso den Einfluss der Temperatur und Cer-Konzentration. Tatsächlich führen die experimentellen Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zu der Erkenntnis, dass eine der vier untersuchten YAG:Ce3+-Proben eine erhöhte Cer-Konzentration aufweisen muss. Anders als bei den schwach konzentrierten YAG:Ce3+-Proben ist die spektrale Doppelbande des stark konzentrierten Leuchtstoffs selbst bei 19K nur zu erahnen, während der Beitrag des 5d1 --> 2F7/2 Übergangs auf die Gesamtfluoreszenz retrograd zum 5d1 --> 2F5/2 Übergang mit steigender Temperatur sogar abnimmt. Im direkten Anschluss an die spektrale Vermessung der Proben folgen zeitaufgelöste Lebensdauermessungen zur Bestimmung der Nachleuchtdauern dieser Leuchtstoffe mittels Pikosekunden-Laserpulsen (ps-Pulse) (s. Kapitel 3.3). Auch hier stellen sich Unterschiede zwischen den genannten YAG:Ce3+-Proben heraus und untermauern erneut die Annahme unterschiedlicher Cer-Konzentrationen: Während die Nachleuchtdauer der niedrig konzentrierten Leuchtstoffe von der Temperatur nahezu unberührt bleibt, zeigt sich eine bemerkenswerte Temperaturabhängigkeit des 5d1 --> 2F5/2 Übergangs beim YAG:Ce3+ mit hohem Cer-Gehalt. Auf Basis sämtlicher experimenteller Erkenntnisse und einer ausgiebigen Literaturrecherche kann schließlich eine Fremddotierung der Leuchtstoff-Proben nahezu vollständig ausgeschlossen und ein Energieschema für die vorliegenden YAG:Ce3+-Leuchtstoffe mit den wichtigsten optischen Übergängen erstellt werden. In Hinblick auf potentielle holographische Applikationen wie der optischen Datenspeicherung oder Echtzeit-Holographie erweisen sich die in Polydimethylsiloxan eingebetteten photoschaltbaren Ruthenium-Sulfoxide aufgrund der äußerst geringen Beugungseffizienz von < 10−2 als nicht pragmatisch für die Praxis (s. Kapitel 4). Vergleichbare photoschaltbare Materialien, wie zum Beispiel Natriumnitrosylprussiat, erreichen hingegen Effizienzen von bis zu 100 %. Dennoch zeichnen sich die in Publikation 2 (s. Anhang A.2) vorgestellten Resultate an OSO-PDMS durch ihre äußerst hohe Qualität aus. Sowohl die dynamische Hologramm-Entstehung als auch die Rocking-Kurve folgen den physikalischen Theorien einwandfrei und lassen sich mit den bekannten mathematischen Anpassungen exakt wiedergeben, womit sich entsprechend intrinsische Größen ableiten lassen. Zudem beeindruckt der experimentelle Aufbau mit der präzisen Messung der oftmals nicht detektierbaren Nebenmaxima der gezeigten Rocking-Kurve sowie des Winkel-Multiplexings. Bemerkenswert ist außerdem aus physikalischer Sicht der immense Unterschied zwischen cw- und fs-Holographie. Hier deuten sich nichtlineare Effekte an, die zu der Erkenntnis führen, dass sich die bekannten Theorien mit cw-Lasern nicht ohne Weiteres deckungsgleich auf die Holographie mit ultrakurzen Laserpulsen anwenden lassen. Ein möglicher Erklärungsansatz ist in Kapitel 4.1 beschrieben. Einen praktischen Zweck zur Nutzung nichtlinearer Effekte erfüllt die vorgestellte Messmethode zur Unterscheidung polarer und nicht-polarer Materialien mittels intensiver fs- Puls-Anregung von sogenannten harmonischen (Upconversion-)Nanopartikeln (s. Kapitel 5). Denn anders als die zu Beginn behandelten Leuchtstoffe, weisen die harmonischen Nanopartikel eine starke Anti-Stokes Verschiebung durch Frequenzkonversion zweier oder dreier Photonen zu einem energiereicheren (kurzwelligen) Photon auf. Diese als SHG (second harmonic generation) und THG (third harmonic generation) bekannte Lichtemission wird spektral vermessen, wobei die zu Beginn der Arbeit beschriebenen linearen diffusen Reflektanzmessungen den zu erwartenden Spektralbereich ohne nennenswerte Absorption eingrenzen. Die eigens definierte Gütezahl fR, bestehend aus dem integrierten SHG- und THG-Emissionsspektrum einer Probe, kategorisiert dann die polare (fR > 1) oder nicht-polare (fR << 1) Natur des Materials.

Hard x rays come along with a variety of extraordinary properties which make them an excellent probe for investigation in science, technology and medicine. Their large attenuation length in matter opens up the possibility to use hard x-rays for non-destructive investigation of the inner structure of specimens. Medical radiography is one important example of exploiting this feature. Since their discovery by W. C. Röntgen in 1895, a large variety of x-ray analytical techniques have been developed and successfully applied, such as x-ray crystallography, reflectometry, fluorescence spectroscopy, x-ray absorption spectroscopy, small angle x-ray scattering, and many more. Each of those methods reveals information about certain physical properties, but usually, these properties are an average over the complete sample region illuminated by the x rays. In order to obtain the spatial distribution of those properties in inhomogeneous samples, scanning microscopy techniques have to be applied, screening the sample with a small x-ray beam. The spatial resolution is limited by the finite size of the beam. The availability of highly brilliant x-ray sources at third generation synchrotron radiation facilities together with the development of enhanced focusing x-ray optics made it possible to generate increasingly small high intense x-ray beams, pushing the spatial resolution down to the sub-100 nm range. During this thesis the prototype of a hard x-ray scanning microscope utilizing microstructured nanofocusing lenses was designed, built, and successfully tested. The nanofocusing x-ray lenses were developed by our research group of the Institute of Structural Physics at the Technische Universität Dresden. The prototype instrument was installed at the ESRF beamline ID 13. A wide range of experiments like fluorescence element mapping, fluorescence tomography, x-ray nano-diffraction, coherent x-ray diffraction imaging, and x-ray ptychography were performed as part of this thesis. The hard x-ray scanning microscope provides a stable x-ray beam with a full width at half maximum size of 50-100 nm near the focal plane. The nanoprobe was also used for characterization of nanofocusing lenses, crucial to further improve them. Based on the experiences with the prototype, an advanced version of a hard x-ray scanning microscope is under development and will be installed at the PETRA III beamline P06 dedicated as a user instrument for scanning microscopy. This document is organized as follows. A short introduction motivating the necessity for building a hard x-ray scanning microscope is followed by a brief review of the fundamentals of hard x-ray physics with an emphasis on free-space propagation and interaction with matter. After a discussion of the requirements on the x-ray source for the nanoprobe, the main features of synchrotron radiation from an undulator source are shown. The properties of the nanobeam generated by refractive x-ray lenses are treated as well as a two-stage focusing scheme for tailoring size, flux and the lateral coherence properties of the x-ray focus. The design and realization of the microscope setup is addressed, and a selection of experiments performed with the prototype version is presented, before this thesis is finished with a conclusion and an outlook on prospective plans for an improved microscope setup to be installed at PETRA III.:1 Introduction ............................................... 1 2 Basic Properties of Hard X Rays ............................ 3 2.1 Free Propagation of X Rays ............................... 3 2.1.1 The Helmholtz Equation ................................. 4 2.1.2 Integral Theorem of Helmholtz and Kirchhoff ............ 6 2.1.3 Fresnel-Kirchhoff's Diffraction Formula ................ 8 2.1.4 Fresnel-Kirchhoff Propagation .......................... 11 2.2 Interaction of X Rays with Matter ........................ 13 2.2.1 Complex Index of Refraction ............................ 13 2.2.2 Attenuation ............................................ 15 2.2.3 Refraction ............................................. 18 3 The X-Ray Source ........................................... 21 3.1 Requirements ............................................. 21 3.1.1 Energy and Energy Bandwidth ............................ 21 3.1.2 Source Size and Divergence ............................. 23 3.1.3 Brilliance ............................................. 23 3.2 Synchrotron Radiation .................................... 24 3.3 Layout of a Synchrotron Radiation Facility ............... 27 3.4 Liénard-Wiechert Fields .................................. 29 3.5 Dipole Magnets ........................................... 31 3.6 Insertion Devices ........................................ 36 3.6.1 Multipole Wigglers ..................................... 36 3.6.2 Undulators ............................................. 37 4 X-Ray Optics ............................................... 39 4.1 Refractive X-Ray Lenses .................................. 40 4.2 Compound Parabolic Refractive Lenses (CRLs) .............. 41 4.3 Nanofocusing Lenses (NFLs) ............................... 43 4.4 Adiabatically Focusing Lenses (AFLs) ..................... 45 4.5 Focal Distance ........................................... 46 4.6 Transverse Focus Size .................................... 50 4.7 Beam Caustic ............................................. 52 4.8 Depth of Focus ........................................... 53 4.9 Beam Divergence .......................................... 53 4.10 Chromaticity ............................................ 54 4.11 Transmission and Cross Section .......................... 55 4.12 Transverse Coherence .................................... 56 4.12.1 Mutual Intensity Function ............................. 57 4.12.2 Free Propagation of Mutual Intensity .................. 57 4.12.3 Mutual Intensity In The Focal Plane ................... 58 4.12.4 Diffraction Limited Focus ............................. 59 4.13 Coherent Flux ........................................... 60 4.14 Two-Stage Focusing ...................................... 64 4.14.1 The Prefocusing Parameter ............................. 65 4.14.2 Required Refractive Power ............................. 67 4.14.3 Flux Considerations ................................... 70 4.14.4 Astigmatic Prefocusing ................................ 75 5 Nanoprobe Setup ............................................ 77 5.1 X-Ray Optics ............................................. 78 5.1.1 Nanofocusing Lenses .................................... 79 5.1.2 Entry Slits ............................................ 82 5.1.3 Pinhole ................................................ 82 5.1.4 Additional Shielding ................................... 83 5.1.5 Vacuum and Helium Tubes ................................ 83 5.2 Sample Stages ............................................ 84 5.2.1 High Resolution Scanner ................................ 84 5.2.2 High Precision Rotational Stage ........................ 85 5.2.3 Coarse Linear Stages ................................... 85 5.2.4 Goniometer Head ........................................ 85 5.3 Detectors ................................................ 86 5.3.1 High Resolution X-Ray Camera ........................... 86 5.3.2 Diffraction Cameras .................................... 89 5.3.3 Energy Dispersive Detectors ............................ 91 5.3.4 Photodiodes ............................................ 93 5.4 Control Software ......................................... 94 6 Experiments ................................................ 97 6.1 Lens Alignment ........................................... 97 6.2 Focus Characterization ................................... 99 6.2.1 Knife-Edge Scans ....................................... 100 6.2.2 Far-Field Measurements ................................. 102 6.2.3 X-Ray Ptychography ..................................... 103 6.3 Fluorescence Spectroscopy ................................ 105 6.3.1 Fluorescence Element Mapping ........................... 107 6.3.2 Fluorescence Tomography ................................ 110 6.4 Diffraction Experiments .................................. 111 6.4.1 Microdiffraction on Phase Change Media ................. 112 6.4.2 Microdiffraction on Stranski-Krastanow Islands ......... 113 6.4.3 Coherent X-Ray Diffraction Imaging of Gold Particles ... 115 6.4.4 X-Ray Ptychography of a Nano-Structured Microchip ...... 117 7 Conclusion and Outlook ..................................... 121 Bibliography ................................................. 125 List of Figures .............................................. 139 List of Publications ......................................... 141 Danksagung ................................................... 145 Curriculum Vitae ............................................. 149 Erklärung .................................................... 151 / Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften kommt harte Röntgenstrahlung in vielfältiger Weise in der Wissenschaft, Industrie und Medizin zum Einsatz. Vor allem die Fähigkeit, makroskopische Gegenstände zu durchdringen, eröffnet die Möglichkeit, im Innern ausgedehnter Objekte verborgene Strukturen zum Vorschein zu bringen, ohne den Gegenstand zerstören zu müssen. Eine Vielzahl röntgenanalytischer Verfahren wie zum Beispiel Kristallographie, Reflektometrie, Fluoreszenzspektroskopie, Absorptionsspektroskopie oder Kleinwinkelstreuung sind entwickelt und erfolgreich angewendet worden. Jede dieser Methoden liefert gewisse strukturelle, chemische oder physikalische Eigenschaften der Probe zutage, allerdings gemittelt über den von der Röntgenstrahlung beleuchteten Bereich. Um eine ortsaufgelöste Verteilung der durch die Röntgenanalyse gewonnenen Information zu erhalten, bedarf es eines sogenannten Mikrostrahls, durch den die Probe lokal abgetastet werden kann. Die dadurch erreichbare räumliche Auflösung ist durch die Größe des Mikrostrahls begrenzt. Aufgrund der Verfügbarkeit hinreichend brillanter Röntgenquellen in Form von Undulatoren an Synchrotronstrahlungseinrichtungen und des Vorhandenseins verbesserter Röntgenoptiken ist es in den vergangen Jahren gelungen, immer kleinere intensive Röntgenfokusse zu erzeugen und somit das räumliche Auflösungsvermögen der Röntgenrastermikroskope auf unter 100 nm zu verbessern. Gegenstand dieser Arbeit ist der Prototyp eines Rastersondenmikroskops für harte Röntgenstrahlung unter Verwendung refraktiver nanofokussierender Röntgenlinsen, die von unserer Arbeitsgruppe am Institut für Strukturphysik entwickelt und hergestellt werden. Das Rastersondenmikroskop wurde im Rahmen dieser Promotion in Dresden konzipiert und gebaut sowie am Strahlrohr ID 13 des ESRF installiert und erfolgreich getestet. Das Gerät stellt einen hochintensiven Röntgenfokus der Größe 50-100 nm zur Verfügung, mit dem im Verlaufe dieser Doktorarbeit zahlreiche Experimente wie Fluoreszenztomographie, Röntgennanobeugung, Abbildung mittels kohärenter Röntgenbeugung sowie Röntgenptychographie erfolgreich durchgeführt wurden. Das Rastermikroskop dient unter anderem auch dem Charakterisieren der nanofokussierenden Linsen, wobei die dadurch gewonnenen Erkenntnisse in die Herstellung verbesserten Linsen einfließen. Diese Arbeit ist wie folgt strukturiert. Ein kurzes einleitendes Kapitel dient als Motivation für den Bau eines Rastersondenmikroskops für harte Röntgenstrahlung. Es folgt eine Einführung in die Grundlagen der Röntgenphysik mit Hauptaugenmerk auf die Ausbreitung von Röntgenstrahlung im Raum und die Wechselwirkungsmechanismen von Röntgenstrahlung mit Materie. Anschließend werden die Anforderungen an die Röntgenquelle besprochen und die Vorzüge eines Undulators herausgestellt. Wichtige Eigenschaften eines mittels refraktiver Röntgenlinsen erzeugten Röntgenfokus werden behandelt, und das Konzept einer Vorfokussierung zur gezielten Anpassung der transversalen Kohärenzeigenschaften an die Erfordernisse des Experiments wird besprochen. Das Design und die technische Realisierung des Rastermikroskops werden ebenso dargestellt wie eine Auswahl erfolgreicher Experimente, die am Gerät vollzogen wurden. Die Arbeit endet mit einem Ausblick, der mögliche Weiterentwicklungen in Aussicht stellt, unter anderem den Aufbau eines verbesserten Rastermikroskops am PETRA III-Strahlrohr P06.:1 Introduction ............................................... 1 2 Basic Properties of Hard X Rays ............................ 3 2.1 Free Propagation of X Rays ............................... 3 2.1.1 The Helmholtz Equation ................................. 4 2.1.2 Integral Theorem of Helmholtz and Kirchhoff ............ 6 2.1.3 Fresnel-Kirchhoff's Diffraction Formula ................ 8 2.1.4 Fresnel-Kirchhoff Propagation .......................... 11 2.2 Interaction of X Rays with Matter ........................ 13 2.2.1 Complex Index of Refraction ............................ 13 2.2.2 Attenuation ............................................ 15 2.2.3 Refraction ............................................. 18 3 The X-Ray Source ........................................... 21 3.1 Requirements ............................................. 21 3.1.1 Energy and Energy Bandwidth ............................ 21 3.1.2 Source Size and Divergence ............................. 23 3.1.3 Brilliance ............................................. 23 3.2 Synchrotron Radiation .................................... 24 3.3 Layout of a Synchrotron Radiation Facility ............... 27 3.4 Liénard-Wiechert Fields .................................. 29 3.5 Dipole Magnets ........................................... 31 3.6 Insertion Devices ........................................ 36 3.6.1 Multipole Wigglers ..................................... 36 3.6.2 Undulators ............................................. 37 4 X-Ray Optics ............................................... 39 4.1 Refractive X-Ray Lenses .................................. 40 4.2 Compound Parabolic Refractive Lenses (CRLs) .............. 41 4.3 Nanofocusing Lenses (NFLs) ............................... 43 4.4 Adiabatically Focusing Lenses (AFLs) ..................... 45 4.5 Focal Distance ........................................... 46 4.6 Transverse Focus Size .................................... 50 4.7 Beam Caustic ............................................. 52 4.8 Depth of Focus ........................................... 53 4.9 Beam Divergence .......................................... 53 4.10 Chromaticity ............................................ 54 4.11 Transmission and Cross Section .......................... 55 4.12 Transverse Coherence .................................... 56 4.12.1 Mutual Intensity Function ............................. 57 4.12.2 Free Propagation of Mutual Intensity .................. 57 4.12.3 Mutual Intensity In The Focal Plane ................... 58 4.12.4 Diffraction Limited Focus ............................. 59 4.13 Coherent Flux ........................................... 60 4.14 Two-Stage Focusing ...................................... 64 4.14.1 The Prefocusing Parameter ............................. 65 4.14.2 Required Refractive Power ............................. 67 4.14.3 Flux Considerations ................................... 70 4.14.4 Astigmatic Prefocusing ................................ 75 5 Nanoprobe Setup ............................................ 77 5.1 X-Ray Optics ............................................. 78 5.1.1 Nanofocusing Lenses .................................... 79 5.1.2 Entry Slits ............................................ 82 5.1.3 Pinhole ................................................ 82 5.1.4 Additional Shielding ................................... 83 5.1.5 Vacuum and Helium Tubes ................................ 83 5.2 Sample Stages ............................................ 84 5.2.1 High Resolution Scanner ................................ 84 5.2.2 High Precision Rotational Stage ........................ 85 5.2.3 Coarse Linear Stages ................................... 85 5.2.4 Goniometer Head ........................................ 85 5.3 Detectors ................................................ 86 5.3.1 High Resolution X-Ray Camera ........................... 86 5.3.2 Diffraction Cameras .................................... 89 5.3.3 Energy Dispersive Detectors ............................ 91 5.3.4 Photodiodes ............................................ 93 5.4 Control Software ......................................... 94 6 Experiments ................................................ 97 6.1 Lens Alignment ........................................... 97 6.2 Focus Characterization ................................... 99 6.2.1 Knife-Edge Scans ....................................... 100 6.2.2 Far-Field Measurements ................................. 102 6.2.3 X-Ray Ptychography ..................................... 103 6.3 Fluorescence Spectroscopy ................................ 105 6.3.1 Fluorescence Element Mapping ........................... 107 6.3.2 Fluorescence Tomography ................................ 110 6.4 Diffraction Experiments .................................. 111 6.4.1 Microdiffraction on Phase Change Media ................. 112 6.4.2 Microdiffraction on Stranski-Krastanow Islands ......... 113 6.4.3 Coherent X-Ray Diffraction Imaging of Gold Particles ... 115 6.4.4 X-Ray Ptychography of a Nano-Structured Microchip ...... 117 7 Conclusion and Outlook ..................................... 121 Bibliography ................................................. 125 List of Figures .............................................. 139 List of Publications ......................................... 141 Danksagung ................................................... 145 Curriculum Vitae ............................................. 149 Erklärung .................................................... 151

In the present work, the load-bearing behaviour of Textile Reinforced Concrete (TRC), which is a composite of a fine-grained concrete matrix and a reinforcement of high-performance fibres processed to textiles, exposed to uniaxial tensile loading was investigated based on numerical simulations. The investigations are focussed on reinforcement of multi-filament yarns of alkali-resistant glass. When embedded in concrete, these yarns are not entirely penetrated with cementitious matrix, which leads associated with the heterogeneity of the concrete and the yarns to a complex load-bearing and failure behaviour of the composite. The main objective of the work was the theoretical investigation of effects in the load-bearing behaviour of TRC, which cannot be explained solely by available experimental results. Therefore, a model was developed, which can describe the tensile behaviour of TRC in different experimental test setups with a unified approach. Neglecting effects resulting from Poisson’s effect, a one-dimensional model implemented within the framework of the Finite Element Method was established. Nevertheless, the model takes also transverse effects into account by a subdivision of the reinforcement yarns into so-called segments. The model incorporates two types of finite elements: bar and bond elements. In longitudinal direction, the bar elements are arranged in series to represent the load-bearing behaviour of matrix or reinforcement. In transverse direction these bar element chains are connected with bond elements. The model gains most of its complexity from non-linearities arising from the constitutive relations, e. g., limited tensile strength of concrete and reinforcement, tension softening of the concrete, waviness of the reinforcement and non-linear bond laws. Besides a deterministic description of the material behaviour, also a stochastic formulation based on a random field approach was introduced in the model. The model has a number of advantageous features, which are provided in this combination only in a few of the existing models concerning TRC. It provides stress distributions in the reinforcement and the concrete as well as properties of concrete crack development like crack spacing and crack widths, which are in some of the existing models input parameters and not a result of the simulations. Moreover, the successive failure of the reinforcement can be studied with the model. The model was applied to three types of tests, the filament pull-out test, the yarn pull-out test and tensile tests with multiple concrete cracking. The results of the simulations regarding the filament pull-out tests showed good correspondence with experimental data. Parametric studies were performed to investigate the influence of geometrical properties in these tests like embedding and free lengths of the filament as well as bond properties between filament and matrix. The presented results of simulations of yarn pull-out tests demonstrated the applicability of the model to this type of test. It has been shown that a relatively fine subdivision of the reinforcement is necessary to represent the successive failure of the reinforcement yarns appropriately. The presented results showed that the model can provide the distribution of failure positions in the reinforcement and the degradation development of yarns during loading. One of the main objectives of the work was to investigate effects concerning the tensile material behaviour of TRC, which could not be explained, hitherto, based solely on experimental results. Hence, a large number of parametric studies was performed concerning tensile tests with multiple concrete cracking, which reflect the tensile behaviour of TRC as occurring in practice. The results of the simulations showed that the model is able to reproduce the typical tripartite stress-strain response of TRC consisting of the uncracked state, the state of multiple matrix cracking and the post-cracking state as known from experimental investigations. The best agreement between simulated and experimental results was achieved considering scatter in the material properties of concrete as well as concrete tension softening and reinforcement waviness. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen zum einaxialen Zugtragverhalten von Textilbeton. Textilbeton ist ein Verbundwerkstoff bestehend aus einer Matrix aus Feinbeton und einer Bewehrung aus Multifilamentgarnen aus Hochleistungsfasern, welche zu textilen Strukturen verarbeitet sind. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf Bewehrungen aus alkali-resistentem Glas. Das Tragverhalten des Verbundwerkstoffs ist komplex, was aus der Heterogenität der Matrix und der Garne sowie der unvollständigen Durchdringung der Garne mit Matrix resultiert. Das Hauptziel der Arbeit ist die theoretische Untersuchung von Effekten und Mechanismen innerhalb des Lastabtragverhaltens von Textilbeton, welche nicht vollständig anhand verfügbarer experimenteller Ergebnisse erklärt werden können. Das entsprechende Modell zur Beschreibung des Zugtragverhaltens von Textilbeton soll verschiedene experimentelle Versuchstypen mit einem einheitlichen Modell abbilden können. Unter Vernachlässigung von Querdehneffekten wurde ein eindimensionales Modell entwickelt und im Rahmen der Finite-Elemente-Methode numerisch implementiert. Es werden jedoch auch Lastabtragmechanismen in Querrichtung durch eine Unterteilung der Bewehrungsgarne in sogenannte Segmente berücksichtigt. Das Modell enthält zwei Typen von finiten Elementen: Stabelemente und Verbundelemente. In Längsrichtung werden Stabelemente kettenförmig angeordnet, um das Tragverhalten von Matrix und Bewehrung abzubilden. In Querrichtung sind die Stabelementketten mit Verbundelementen gekoppelt. Das Modell erhält seine Komplexität hauptsächlich aus Nichtlinearitäten in der Materialbeschreibung, z.B. durch begrenzte Zugfestigkeiten von Matrix und Bewehrung, Zugentfestigung der Matrix, Welligkeit der Bewehrung und nichtlineare Verbundgesetze. Neben einer deterministischen Beschreibung des Materialverhaltens beinhaltet das Modell auch eine stochastische Beschreibung auf Grundlage eines Zufallsfeldansatzes. Mit dem Modell können Spannungsverteilungen im Verbundwerkstoff und Eigenschaften der Betonrissentwicklung, z.B. in Form von Rissbreiten und Rissabständen untersucht werden, was in dieser Kombination nur mit wenigen der existierenden Modelle für Textilbeton möglich ist. In vielen der vorhandenen Modelle sind diese Eigenschaften Eingangsgrößen für die Berechnungen und keine Ergebnisse. Darüber hinaus kann anhand des Modells auch das sukzessive Versagen der Bewehrungsgarne studiert werden. Das Modell wurde auf drei verschiedene Versuchstypen angewendet: den Filamentauszugversuch, den Garnauszugversuch und Dehnkörperversuche. Die Berechnungsergebnisse zu den Filamentauszugversuchen zeigten eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Resultaten. Zudem wurden Parameterstudien durchgeführt, um Einflüsse aus Geometrieeigenschaften wie der eingebetteten und freien Filamentlänge sowie Materialeigenschaften wie dem Verbund zwischen Matrix und Filament zu untersuchen. Die Berechnungsergebnisse zum Garnauszugversuch demonstrierten die Anwendbarkeit des Modells auf diesen Versuchstyp. Es wurde gezeigt, dass für eine realitätsnahe Abbildung des Versagensverhaltens der Bewehrungsgarne eine relativ feine Auflösung der Bewehrung notwendig ist. Die Berechnungen lieferten die Verteilung von Versagenspositionen in der Bewehrung und die Entwicklung der Degradation der Garne im Belastungsverlauf. Ein Hauptziel der Arbeit war die Untersuchung von Effekten im Zugtragverhalten von Textilbeton, die bisher nicht durch experimentelle Untersuchungen erklärt werden konnten. Daher wurde eine Vielzahl von Parameterstudien zu Dehnkörpern mit mehrfacher Matrixrissbildung, welche das Zugtragverhalten von Textilbeton ähnlich praktischen Anwendungen abbilden, durchgeführt. Die Berechnungsergebnisse zeigten, dass der experimentell beobachtete dreigeteilte Verlauf der Spannungs-Dehnungs-Beziehung von Textilbeton bestehend aus dem ungerissenen Zustand, dem Zustand der Matrixrissbildung und dem Zustand der abgeschlossenen Rissbildung vom Modell wiedergegeben wird. Die beste Übereinstimmung zwischen berechneten und experimentellen Ergebnissen ergab sich unter Einbeziehung von Streuungen in den Materialeigenschaften der Matrix, der Zugentfestigung der Matrix und der Welligkeit der Bewehrung.

In the present work, the load-bearing behaviour of Textile Reinforced Concrete (TRC), which is a composite of a fine-grained concrete matrix and a reinforcement of high-performance fibres processed to textiles, exposed to uniaxial tensile loading was investigated based on numerical simulations. The investigations are focussed on reinforcement of multi-filament yarns of alkali-resistant glass. When embedded in concrete, these yarns are not entirely penetrated with cementitious matrix, which leads associated with the heterogeneity of the concrete and the yarns to a complex load-bearing and failure behaviour of the composite. The main objective of the work was the theoretical investigation of effects in the load-bearing behaviour of TRC, which cannot be explained solely by available experimental results. Therefore, a model was developed, which can describe the tensile behaviour of TRC in different experimental test setups with a unified approach. Neglecting effects resulting from Poisson’s effect, a one-dimensional model implemented within the framework of the Finite Element Method was established. Nevertheless, the model takes also transverse effects into account by a subdivision of the reinforcement yarns into so-called segments. The model incorporates two types of finite elements: bar and bond elements. In longitudinal direction, the bar elements are arranged in series to represent the load-bearing behaviour of matrix or reinforcement. In transverse direction these bar element chains are connected with bond elements. The model gains most of its complexity from non-linearities arising from the constitutive relations, e. g., limited tensile strength of concrete and reinforcement, tension softening of the concrete, waviness of the reinforcement and non-linear bond laws. Besides a deterministic description of the material behaviour, also a stochastic formulation based on a random field approach was introduced in the model. The model has a number of advantageous features, which are provided in this combination only in a few of the existing models concerning TRC. It provides stress distributions in the reinforcement and the concrete as well as properties of concrete crack development like crack spacing and crack widths, which are in some of the existing models input parameters and not a result of the simulations. Moreover, the successive failure of the reinforcement can be studied with the model. The model was applied to three types of tests, the filament pull-out test, the yarn pull-out test and tensile tests with multiple concrete cracking. The results of the simulations regarding the filament pull-out tests showed good correspondence with experimental data. Parametric studies were performed to investigate the influence of geometrical properties in these tests like embedding and free lengths of the filament as well as bond properties between filament and matrix. The presented results of simulations of yarn pull-out tests demonstrated the applicability of the model to this type of test. It has been shown that a relatively fine subdivision of the reinforcement is necessary to represent the successive failure of the reinforcement yarns appropriately. The presented results showed that the model can provide the distribution of failure positions in the reinforcement and the degradation development of yarns during loading. One of the main objectives of the work was to investigate effects concerning the tensile material behaviour of TRC, which could not be explained, hitherto, based solely on experimental results. Hence, a large number of parametric studies was performed concerning tensile tests with multiple concrete cracking, which reflect the tensile behaviour of TRC as occurring in practice. The results of the simulations showed that the model is able to reproduce the typical tripartite stress-strain response of TRC consisting of the uncracked state, the state of multiple matrix cracking and the post-cracking state as known from experimental investigations. The best agreement between simulated and experimental results was achieved considering scatter in the material properties of concrete as well as concrete tension softening and reinforcement waviness. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen zum einaxialen Zugtragverhalten von Textilbeton. Textilbeton ist ein Verbundwerkstoff bestehend aus einer Matrix aus Feinbeton und einer Bewehrung aus Multifilamentgarnen aus Hochleistungsfasern, welche zu textilen Strukturen verarbeitet sind. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf Bewehrungen aus alkali-resistentem Glas. Das Tragverhalten des Verbundwerkstoffs ist komplex, was aus der Heterogenität der Matrix und der Garne sowie der unvollständigen Durchdringung der Garne mit Matrix resultiert. Das Hauptziel der Arbeit ist die theoretische Untersuchung von Effekten und Mechanismen innerhalb des Lastabtragverhaltens von Textilbeton, welche nicht vollständig anhand verfügbarer experimenteller Ergebnisse erklärt werden können. Das entsprechende Modell zur Beschreibung des Zugtragverhaltens von Textilbeton soll verschiedene experimentelle Versuchstypen mit einem einheitlichen Modell abbilden können. Unter Vernachlässigung von Querdehneffekten wurde ein eindimensionales Modell entwickelt und im Rahmen der Finite-Elemente-Methode numerisch implementiert. Es werden jedoch auch Lastabtragmechanismen in Querrichtung durch eine Unterteilung der Bewehrungsgarne in sogenannte Segmente berücksichtigt. Das Modell enthält zwei Typen von finiten Elementen: Stabelemente und Verbundelemente. In Längsrichtung werden Stabelemente kettenförmig angeordnet, um das Tragverhalten von Matrix und Bewehrung abzubilden. In Querrichtung sind die Stabelementketten mit Verbundelementen gekoppelt. Das Modell erhält seine Komplexität hauptsächlich aus Nichtlinearitäten in der Materialbeschreibung, z.B. durch begrenzte Zugfestigkeiten von Matrix und Bewehrung, Zugentfestigung der Matrix, Welligkeit der Bewehrung und nichtlineare Verbundgesetze. Neben einer deterministischen Beschreibung des Materialverhaltens beinhaltet das Modell auch eine stochastische Beschreibung auf Grundlage eines Zufallsfeldansatzes. Mit dem Modell können Spannungsverteilungen im Verbundwerkstoff und Eigenschaften der Betonrissentwicklung, z.B. in Form von Rissbreiten und Rissabständen untersucht werden, was in dieser Kombination nur mit wenigen der existierenden Modelle für Textilbeton möglich ist. In vielen der vorhandenen Modelle sind diese Eigenschaften Eingangsgrößen für die Berechnungen und keine Ergebnisse. Darüber hinaus kann anhand des Modells auch das sukzessive Versagen der Bewehrungsgarne studiert werden. Das Modell wurde auf drei verschiedene Versuchstypen angewendet: den Filamentauszugversuch, den Garnauszugversuch und Dehnkörperversuche. Die Berechnungsergebnisse zu den Filamentauszugversuchen zeigten eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Resultaten. Zudem wurden Parameterstudien durchgeführt, um Einflüsse aus Geometrieeigenschaften wie der eingebetteten und freien Filamentlänge sowie Materialeigenschaften wie dem Verbund zwischen Matrix und Filament zu untersuchen. Die Berechnungsergebnisse zum Garnauszugversuch demonstrierten die Anwendbarkeit des Modells auf diesen Versuchstyp. Es wurde gezeigt, dass für eine realitätsnahe Abbildung des Versagensverhaltens der Bewehrungsgarne eine relativ feine Auflösung der Bewehrung notwendig ist. Die Berechnungen lieferten die Verteilung von Versagenspositionen in der Bewehrung und die Entwicklung der Degradation der Garne im Belastungsverlauf. Ein Hauptziel der Arbeit war die Untersuchung von Effekten im Zugtragverhalten von Textilbeton, die bisher nicht durch experimentelle Untersuchungen erklärt werden konnten. Daher wurde eine Vielzahl von Parameterstudien zu Dehnkörpern mit mehrfacher Matrixrissbildung, welche das Zugtragverhalten von Textilbeton ähnlich praktischen Anwendungen abbilden, durchgeführt. Die Berechnungsergebnisse zeigten, dass der experimentell beobachtete dreigeteilte Verlauf der Spannungs-Dehnungs-Beziehung von Textilbeton bestehend aus dem ungerissenen Zustand, dem Zustand der Matrixrissbildung und dem Zustand der abgeschlossenen Rissbildung vom Modell wiedergegeben wird. Die beste Übereinstimmung zwischen berechneten und experimentellen Ergebnissen ergab sich unter Einbeziehung von Streuungen in den Materialeigenschaften der Matrix, der Zugentfestigung der Matrix und der Welligkeit der Bewehrung.