This dissertation aims to provide a comprehensive understanding of the evolution of solid phase composition with ongoing hydration in OPC‒rich and CAC‒CsHx rich ternary binders. The work is based on a multi‒method approach including XRD, TGA, MAS NMR spectroscopy, calorimetry, microscopy and thermodynamic calculations. From the combinations of results obtained from the different analytical methods, a schematic representation of the phase evolution with ongoing hydration in OPC and CAC‒CsHx rich combinations was achieved, along with plots showing the distributing hydrate phases in the ternary diagram OPC‒CAC‒CsHx. C‒S‒H, portlandite, ettringite and AFm phases stand as main hydration products in the OPC‒rich combinations. C‒S‒H accounts for ~70% of the X‒ray amorphous fraction. In the CAC‒CsHx rich combinations ettringite along with AH3, monosulphoaluminate, strätlingite and hydrogranet phases precipitate. The high portions of X‒ray amorphous fractions in such combinations were mainly attributed to AH3 gel and AFm phases. Additionally, comparison of QXRD results with stoichiometric calculations, thermal analysis and 27Al NMR revealed that a portion of the formed ettringite and portlandite are in an X‒ray amorphous state during hydration. The variation of CAC type and water content strongly influences the hydration mechanism and phase assemblage in the ternary binders, whereas differences in mixtures with different sulphate sources are mainly related to the different dissolution kinetics of the sulphate.

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In dieser Arbeit wird das neue Prinzip der „Selbstinkompatiblen Lösungsmittel“ vorgestellt. Es wird theoretisch abgeleitet, dass eine Mischung aus zwei Substanzen mit ungünstigen Wechselwirkungen bereitwillig eine weitere Substanz aufnehmen sollte, die diese ungünstigen Wechselwirkungen durch Verdünnen vermindert. Dies sollte umso stärker ausgeprägt sein, je ungünstiger die Wechselwirkungen zwischen den beiden ersten Substanzen sind. Da sich jedoch Substanzen mit sehr ungünstigen Wechselwirkungen physikalisch nicht mischen, entstand die Idee, diese Substanzen durch eine kovalente Bindung aneinander zu binden. Ein solches Molekül, das aus zwei inkompatiblen Hälften besteht, wird im Folgendem Selbstinkompatibles Lösungsmittel genannt. Die in dieser Arbeit gewählten Substanzen zeigen mäßige Inkompatibilität, deshalb ist ein Vergleich zwischen einfachen physikalischen Mischungen und kovalent verknüpften Molekülhälften noch möglich. Dieses Prinzip wird für binäre und ternäre Mischungen quantitativ berechnet und experimentell in drei Serien von Experimenten bestätigt: i) unter Verwendung von Lösungskalorimetrie und Bestimmung der Wechselwirkungsparameter zwischen Komponente 3 und einer bereits hergestellt physikalischen binären Mischung aus Komponente 1 und 2, ii) unter Verwendung von Lösungskalorimetrie und Bestimmung der Wechselwirkungsparameter zwischen Komponente 3 und den selbstinkompatiblen Losungsmitteln, die den in (i) gewählten Mischungen entsprechen und iii) aus der Sättigungslöslichkeit der Komponente 3 in den entsprechenden selbstinkompatiblen Lösungsmitteln. In diesen drei verschiedenen Messserien wird stets der gleichen Trend beobachtet: Die Selbstinkompatibilität eines Lösungsmittels begünstigt den Lösevorgang. / In this thesis a new principle of Self Incompatible Solvent is introduced. It is shown theoretically that a preexisting mixture of two substances (compound 1 and 2) with unfavorable interactions will readily dissolve a third compound because it diminishes the unfavorable interaction between the compound 1 and 2 by dilution. This behavior should be the stronger the more unfavorable the interactions between compound 1 and 2 are. However, substances with strong unfavorable interactions will not mix. Therefore the idea pursued here is to enforce the desired preexisting mixture for example by linking compound 1 covalently to compound 2. Such a molecule that is composed of two incompatible parts is called Self Incompatible Solvent in this work. In this thesis examples of incompatible compounds that show moderate incompatibility are chosen, therefore it was possible to do a comparison between simple physical mixtures and covalently linked incompatible molecules. The theoretical prediction of the theory is compared with experiments. This principle is calculated quantitatively for binary and ternary mixtures and compared with the experimental results in three distinct series of experiments: i) by using solution calorimetry and calculation of the interaction parameters between compounds 3 and the preexisting binary mixture of compound 1 and 2, ii) by using solution calorimetry and calculation of the interaction parameters between compound 3 and the Self Incompatible Solvent that correspond to the mixtures used in (i) and iii) from the saturation solubility of compound 3 in the Self Incompatible Solvent. The results obtained from the theoretical prediction and these obtained from the three different series of experiments show the same trend: the self incompatibility of the solvent improves the dissolution process.

This study focuses on the architectural modification of pin-type small-molecule organic solar cells, in particular on the absorption layer and its influence on the key solar cell parameters, such as short circuit current density, fill factor and open circuit voltage. Three different approaches have been applied to improve the match between the solar spectrum and the spectral sensitivity of organic solar cells. In the first part, deposition parameters such as substrate temperature, gradient strength and (graded) absorption layer thickness are evaluated and compared to organic solar cells with homogeneously deposited absorption layers. Moreover, the gradient-like distribution of the absorption layer is characterized optically and morphological effects have been extensively studied. In order to isolate the origin of the efficiency improvement due to the graded architecture, voltage-dependent spectral response measurements have been performed and gave new insights. The second part concentrates on the efficient in-coupling of converted UV light, which is usually lost because of the cut off properties of organic light in-coupling layers. Via Förster resonance energy transfer, the absorbed UV light is re-emitted as red light and contributes significantly to higher short circuit current densities. The correlation between doping concentration, simple stack architecture modifications and the performance improvement is duly presented. In the third and last part, the impact of tri-component bulk heterojunction absorption layers is investigated, as these have potential to broaden the sensitivity spectrum of organic solar cells without chemical modification of designated absorber molecules. Along with the possibility to easily increase the photocurrent, an interesting behavior of the open circuit voltage has been observed. Knowledge about the impact of slight modifications within the solar stack architecture is important in order to be able to improve the device efficiency for the production of cheap and clean energy.

This study focuses on the architectural modification of pin-type small-molecule organic solar cells, in particular on the absorption layer and its influence on the key solar cell parameters, such as short circuit current density, fill factor and open circuit voltage. Three different approaches have been applied to improve the match between the solar spectrum and the spectral sensitivity of organic solar cells. In the first part, deposition parameters such as substrate temperature, gradient strength and (graded) absorption layer thickness are evaluated and compared to organic solar cells with homogeneously deposited absorption layers. Moreover, the gradient-like distribution of the absorption layer is characterized optically and morphological effects have been extensively studied. In order to isolate the origin of the efficiency improvement due to the graded architecture, voltage-dependent spectral response measurements have been performed and gave new insights. The second part concentrates on the efficient in-coupling of converted UV light, which is usually lost because of the cut off properties of organic light in-coupling layers. Via Förster resonance energy transfer, the absorbed UV light is re-emitted as red light and contributes significantly to higher short circuit current densities. The correlation between doping concentration, simple stack architecture modifications and the performance improvement is duly presented. In the third and last part, the impact of tri-component bulk heterojunction absorption layers is investigated, as these have potential to broaden the sensitivity spectrum of organic solar cells without chemical modification of designated absorber molecules. Along with the possibility to easily increase the photocurrent, an interesting behavior of the open circuit voltage has been observed. Knowledge about the impact of slight modifications within the solar stack architecture is important in order to be able to improve the device efficiency for the production of cheap and clean energy.

The concept of a self-incompatible solvent is introduced as a molecule composed of two parts (compound 1 and 2) with unfavourable interactions. A third compound will be readily dissolved in this solvent to diminish this unfavourable interaction by dilution. The more incompatible compounds 1 and 2 are, the stronger this behaviour is expected to be. In this work, ionic liquids comprising non-polar carbon chain and polar ionic group are chosen to serve as a model of self-incompatible solvent. The interactions parameters k of the ionic liquids with active ingredients are investigated to examine the effect of self-incompatibility of the ionic liquid molecule. On the other hand, phase separation between compounds 1 and 2 will reduce the positive effect of self-incompatibility. The tendency of phase separation is increasing with increasing size of the two compounds. Thus, if compounds 1 and 2 are blocks tied together into a block copolymer, one expects a decreasing ability of the block copolymer to dissolve an active ingredient with increasing block length. In this work the ability of polybutadiene-block-poly(2-vinylpyridine) (PB-b-P2VP) block copolymers to dissolve the model compound anthracene is investigated. As expected, the solubility indeed decreases with increasing block length.

In dieser Arbeit wird das neue Prinzip der „Selbstinkompatiblen Lösungsmittel“ vorgestellt. Es wird theoretisch abgeleitet, dass eine Mischung aus zwei Substanzen mit ungünstigen Wechselwirkungen bereitwillig eine weitere Substanz aufnehmen sollte, die diese ungünstigen Wechselwirkungen durch Verdünnen vermindert. Dies sollte umso stärker ausgeprägt sein, je ungünstiger die Wechselwirkungen zwischen den beiden ersten Substanzen sind. Da sich jedoch Substanzen mit sehr ungünstigen Wechselwirkungen physikalisch nicht mischen, entstand die Idee, diese Substanzen durch eine kovalente Bindung aneinander zu binden. Ein solches Molekül, das aus zwei inkompatiblen Hälften besteht, wird im Folgendem Selbstinkompatibles Lösungsmittel genannt. Die in dieser Arbeit gewählten Substanzen zeigen mäßige Inkompatibilität, deshalb ist ein Vergleich zwischen einfachen physikalischen Mischungen und kovalent verknüpften Molekülhälften noch möglich. Dieses Prinzip wird für binäre und ternäre Mischungen quantitativ berechnet und experimentell in drei Serien von Experimenten bestätigt: i) unter Verwendung von Lösungskalorimetrie und Bestimmung der Wechselwirkungsparameter zwischen Komponente 3 und einer bereits hergestellt physikalischen binären Mischung aus Komponente 1 und 2, ii) unter Verwendung von Lösungskalorimetrie und Bestimmung der Wechselwirkungsparameter zwischen Komponente 3 und den selbstinkompatiblen Losungsmitteln, die den in (i) gewählten Mischungen entsprechen und iii) aus der Sättigungslöslichkeit der Komponente 3 in den entsprechenden selbstinkompatiblen Lösungsmitteln. In diesen drei verschiedenen Messserien wird stets der gleichen Trend beobachtet: Die Selbstinkompatibilität eines Lösungsmittels begünstigt den Lösevorgang. / In this thesis a new principle of Self Incompatible Solvent is introduced. It is shown theoretically that a preexisting mixture of two substances (compound 1 and 2) with unfavorable interactions will readily dissolve a third compound because it diminishes the unfavorable interaction between the compound 1 and 2 by dilution. This behavior should be the stronger the more unfavorable the interactions between compound 1 and 2 are. However, substances with strong unfavorable interactions will not mix. Therefore the idea pursued here is to enforce the desired preexisting mixture for example by linking compound 1 covalently to compound 2. Such a molecule that is composed of two incompatible parts is called Self Incompatible Solvent in this work. In this thesis examples of incompatible compounds that show moderate incompatibility are chosen, therefore it was possible to do a comparison between simple physical mixtures and covalently linked incompatible molecules. The theoretical prediction of the theory is compared with experiments. This principle is calculated quantitatively for binary and ternary mixtures and compared with the experimental results in three distinct series of experiments: i) by using solution calorimetry and calculation of the interaction parameters between compounds 3 and the preexisting binary mixture of compound 1 and 2, ii) by using solution calorimetry and calculation of the interaction parameters between compound 3 and the Self Incompatible Solvent that correspond to the mixtures used in (i) and iii) from the saturation solubility of compound 3 in the Self Incompatible Solvent. The results obtained from the theoretical prediction and these obtained from the three different series of experiments show the same trend: the self incompatibility of the solvent improves the dissolution process.

In the presented paper, the applicability of pressure-decay methods to determine the diffusivities of gases in hydraulic fluids is analysed. First, the method is described in detail and compared to other measurement methods. Secondly, the thermodynamics and the mass transfer process of the system are studied. This results in four different thermodynamic models of the gaseous phase in combination with two diffusion models. Thirdly, the influence of the models on the pressure-decay method is evaluated computationally by examining the diffusion process of air in water as all system parameters are available from literature. It is shown that ordinary pressure-decay methods are not applicable to gas mixtures like air and therefore a new method for calculating the diffusivities is suggested.

In den letzten Jahren hat sich maschinelles Lernen als hilfreiches Werkzeug zur Vorhersage von simulierten Materialeigenschaften erwiesen. Somit können aufwendige Berechnungen mittels Dichtefunktionaltheorie umgangen werden und bereits bekannte Materialien besser verstanden oder sogar neuartige entdeckt werden. Eine zentrale Rolle spielt dabei der Deskriptor, ein möglichst interpretierbarer Satz von Materialkenngrößen. Diese Arbeit präsentiert einen Ansatz zur Auffindung von Deskriptoren für periodische Multikomponentensysteme, deren Eigenschaften durch die genaue atomare Anordnung mitbeinflusst wird. Primäre Features von Einzel-, Paar- und Tetraederclustern werden über die Superzelle gemittelt und weiter algebraisch kombiniert. Aus den so erzeugten Kandidaten wird mittels Dimensionalitätsreduktion ein geeigneter Deskriptor identifiziert. Zudem stellt diese Arbeit Strategien vor bei der Modellfindung Kreuzvalidierung einzusetzen, sodass stabilere und idealerweise besser generalisierbare Deskriptoren gefunden werden. Es werden außerdem mehrere Fehlermaße untersucht, die die Qualität der Deskriptoren bezüglich Genauigkeit, Komplexität der Formeln und Berücksichtung der atomaren Anordnung charakterisieren. Die allgemeine Methodik wurde in einer teilweise parallelisierten Python-Software implementiert. Als konkrete Problemstellungen werden Modelle für die Gitterkonstante und die Mischenergie von ternären Gruppe-IV Zinkblende-Legierungen "gelernt", mit einer Genauigkeit von 0.02 Å bzw. 0.02 eV. Datenbeschaffung, -analyse, und -bereinigung werden im Hinblick auf die Zielgrößen als auch auf die primären Features erläutert, sodass umfassende Analysen und die Parametrisierung der Methodik an diesem Testdatensatz durchgeführt werden können. Als weitere Anwendung werden Gitterkonstante und Bandlücken von binären Oktett-Verbindungen vorhergesagt. Die präsentierten Deskriptoren werden mit den Fehlermaßen evaluiert und ihre physikalische Relevanz wird abschließend disktutiert. / In the last years, machine learning methods have proven as a useful tool for the prediction of simulated material properties. They may replace effortful calculations based on density functional theory, provide a better understanding of known materials or even help to discover new materials. Here, an essential role is played by the descriptor, a desirably interpretable set of material parameters. This PhD thesis presents an approach to find descriptors for periodic multi-component systems where also the exact atomic configuration influences the physical characteristics. We process primary features of one-atom, two-atom and tetrahedron clusters by an averaging scheme and combine them further by simple algebraic operations. Compressed sensing is used to identify an appropriate descriptor out from all candidate features. Furthermore, we develop elaborate cross-validation based model selection strategies that may lead to more robust and ideally better generalizing descriptors. Additionally, we study several error measures which estimate the quality of the descriptors with respect to accuracy, complexity of their formulas and the capturing of configuration effects. These generally formulated methods were implemented in a partially parallelized Python program. Actual learning tasks were studied on the problem of finding models for the lattice constant and the energy of mixing of group-IV ternary compounds in zincblende structure where an accuracy of 0.02 Å and 0.02 eV is reached, respectively. We explain the practical preparation steps of data acquisition, analysis and cleaning for the target properties and the primary features, and continue with extensive analyses and the parametrization of the developed methodology on this test case. As an additional application we predict lattice constants and band gaps of octet binary compounds. The presented descriptors are assessed quantitatively by the error measures and, finally, their physical meaning is discussed.

In der Arbeit wurden die zwei ternären Oxide GdScO3 und AlTiOx strukturell und elektrisch charakterisiert und in laterale AlGaN/GaN-MISHEMTs integriert. GdScO3 wächst hexagonal und epitaktisch bei einer Abscheidung mittels PLD bei 700°C auf einer AlGaN/GaN Heterostruktur auf. Die demonstrierten MISHEMTs zeigen einen deutlich verringerten Gate-Leckstrom. Zeit- und beleuchtungsabhängige Drain-Strom Messungen im ausgeschaltetem Transistor weisen allerdings auf photoinduzierte Trapzustände mit langer Lebensdauer im Oxid hin, die den Drain-Leckstrom limitieren. Die AlTiOx Mischoxide wurden mittels ALD abgeschieden. Dabei wurde die Stöchiometrie über das Zyklenverhältnis zwischen Al2O3 und TiO2 variiert. Es konnte gezeigt werden, dass der Brechungsindex, die Permittivität, die Bandlücke und das Bandalignment zum GaN über die Stöchiometrie eingestellt werden können. Durch die Implementierung eines high-k last Prozesses konnten schaltbare MISHEMTs prozessiert werden. Durch die Simulation der Bandstruktur konnten die Einsatzspannungsverschiebung und ein Maximum des Drain-Stroms im ausgeschaltetem Zustand über die Ermittlung der Barrierendicke für Elektronen erklärt werden. Für eine Passivierung mit TiO2 wurde ein um 2,5 Größenordnungen reduzierter Drain-Leckstrom bei gleichzeitig nur minimal verschobener Einsatzspannung gemessen.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 7 2 Grundlagen 9 2.1 Der III-V Halbleiter Galiumnitrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 Der Hetero-Feldeffekttransisor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3 Performance Einschränkungen am unpassivierten HFET . . . . . . . . 14 2.4 Gatedielektrika für MISHEMTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4.1 Verwendete Dielektrika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4.2 Limitationen in MISHEMTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.5 Atomlagenabscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5.1 Der ALD-Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5.2 Abscheidung ternärer Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3 Charakterisierungsmethoden 31 3.1 Kapazitäts-Spannungs-Messungen an MIS-Kondensatoren . . . . . . . . 31 3.2 Photo-assisted Kapazitäts-Spannungsmessungen . . . . . . . . . . . . . 34 3.3 Messungen am Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4 Probenherstellung 39 4.1 Atomlagenabscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2 Prozessoptimierung am HFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2.1 Mesa-Ätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.2.2 Formierung der ohmschen Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.3 Strukturierung der Oxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5 Gadoliniumscandiumoxid 53 5.1 Strukturelle Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.2 PhotoCV-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.3 MISHEMT mit GdScO3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6 Aluminium-Titanoxid Mischschichten 65 6.1 Voruntersuchungen am TiO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.2 Strukturelle Charakterisierung an AlTiOx . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.2.1 Stöchiometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.2.2 Kristallisationsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.3 Bestimmung des Bandalignments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.3.1 UV/Vis Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.3.2 Röntgenphotoelektronenspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.3.3 Bandalignment zum GaN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6 Inhaltsverzeichnis 6.4 Elektrische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.4.1 CV-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.4.2 IV-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.4.3 PhotoCV-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 6.5 Zusammenfassung der AlTiOx Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . 86 6.6 MISHEMTs mit AlTiOx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.6.1 high-k first MISHEMTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.6.2 High-k last MISHEMTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.7 Einordnung der Transistorergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7 Zusammenfassung 99 Anhang 103 Abkürzungsverzeichnis 111 Symbolverzeichnis 113 Abbildungsverzeichnis 115 Tabellenverzeichnis 121 Literatur 123 Publikationen 141 Danksagung 143