Das Ziel der Arbeit war die Weiterführung der Substrukturanalyse von plastisch verformten metallischen Werkstoffen mit kubischer Struktur auf der Basis des Disklinationskonzeptes unter Berücksichtigung unterschiedlicher homologer Temperaturen und Stapelfehlerenergien. Die Untersuchungen wurden an Stauchproben von Wolfram, Aluminium und der Legierung Inconel 718 mit Hilfe der TEM, der REM (EBSD) und der röntgenografischen Profilanalyse durchgeführt. Bei allen drei Werkstoffen konnten im Temperatur- und Umformbereich T/Ts<=0,3, Deformation>=0,3 auf der Basis von lokalen TEM-Desorientierungsmessungen Partialdisklinationen identifiziert und ihre Frankvektoren bzw. Defektstärken bestimmt werden. Die Ergebnisse der EBSD-Untersuchungen und der Röntgendiffraktometrie sind mit den TEM-Beobachtungen kompatibel und zeigen, dass die Kombination der drei Methoden für die systematische Substrukturanalyse an stark verformten Werkstoffen gut geeignet ist.

Beurteilung von nativen und aufgetauten Spermatozoen fertiler und subfertiler Hengste mit Hilfe der Phasenkontrast- und Transmissionselektronenmikroskopie. Institut für Veterinär-Pathologie der Veterinärmedizinischen Fakultät, Universität Leipzig Reproduktionsmedizinische Einheit der Kliniken der Tierärztlichen Hochschule Hannover In dieser Arbeit wurde die Ultrastruktur von nativen und tiefgefrorenen Spermien mittels Phasenkontrast- und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Für die Beurteilung der Spermienmotilität und der Morphologie von in Formolzitrat fixierten Spermien standen jeweils drei Ejakulate von 50 Hannoveraner Hengsten des Niedersächsischen Landgestüts Celle zur Verfügung. Aus dieser Gruppe wurden drei fertile, drei subfertile Hengste und 6 Hengste mittlerer Fertilität ausgewählt, von denen sowohl die Nativ-Proben als auch eine Tiefgefrierprobe (TG-Probe) für die TEM im Institut für Veterinär-Pathologie der Universität Leipzig gemäß des Standardprotokolls des Institutes aufbereitet wurden. Die Spermien wurden gewaschen und das Seminalplasma der nativen Proben oder der Verdünner der TG-Proben abpipettiert und durch eine 5%-ige Glutaraldehydlösung in einem 0,1 M Kakodylatpuffer (pH 7,2) ersetzt. Die Fixierungslösung wurde anschließend entfernt und das Pellet gewaschen und danach mit Gelatine gemischt. Die spermienreichen Stellen wurden aus der Gelatine herausgeschnitten und in Glutaraldehyd aufbewahrt. Nach einer Nachfixierung in OsO4 und einer Entwässerung in Ethanollösungen erfolgte eine Einbettung in einer Eponmischung. Nach einer Polymerisation von 5 Tagen wurden die eingebetteten Eponblöckchen angetrimmt und die Semi- und Ultradünnschnitte angefertigt. Die Ultradünnschnitte wurden auf ein Kupfergrid gelegt, mit Uranylazetat und Bleizitrat kontrastiert und mit dem Transmissionselektronenmikroskop (Zeiss EM 900, Oberkochem) bei 80 kV analysiert. In den nativen Proben wurden insgesamt 360 Spermien pro Hengst beurteilt, in den TG-Proben 120 Spermien pro Hengst. Die Qualität der elektronenmikroskopischen Aufnahmen war sehr gut, doch die Plasmamembran zeigte fixierungsbedingte Artefakte. Nach dem Auftauen waren die Bilder heller und der Kontrast etwas geringer. Es gab eine Zunahme an Akrosomdefekten, akrosomreagierten Spermien und Beschädigungen der Plasmamembran, der Mitochondrien, sowie der Mantel- und Ringfasern. Durch die Membranbeschädigungen trat auch eine Verringerung der Anzahl proximaler und distaler Zytoplasmatropfen auf. Sowohl geschwollene Akrosome mit einer niedrigeren Dichte der akrosomalen Matrix als auch Mitochondrien mit einer zu hellen mitochondrialen Matrix waren typische Befunde in den TG-Proben. Die Studie der Ultrastruktur und die wahrgenommenen Defekte führten zur Erstellung eines Standardprotokolls für die transmissionselektronenmikroskopische Beurteilung von Hengstspermien. Die Beurteilung mittels TEM sollte aber nicht zu einer quantitativen, sondern zu einer qualitativen Aussage führen. Sie ermöglicht die Diagnose von Kern- (Kerndeformationen und Taschenbildung im Kern) und Akrosomabweichungen (deformierte Akrosome mit oder ohne Vakuolenbildung, abgehobene Akrosome und akrosomreagierte Spermien), Anomalien der Mitochondrien (Unterbrechung der Mitochondrienscheide, zu viele Mitochondrien, anormale Dichte der mitochondrialen Matrix), Defekten des Axonemas (Ordnung oder Anzahl der Mikrotubuli, Mantel- und Ringfasern) und der Anwesenheit immaturer Spermienvorstufen. Diese Methode eignet sich für die Diagnostik subfertiler Hengste mit normalen Spermienparametern bei der routinemäßige Spermienbeurteilung und kann sowohl in nativen als auch in TG-Proben angewendet werden. Im Vergleich zur Phasenkontrastmikroskopie waren die elektronenmikroskopischen Bilder wegen ihrer stärkeren Vergrößerung und der Darstellung innerer Spermienstrukturen viel aussagekräftiger. Für die Beurteilung von Halsansatzdefekten, abweichende Geißelformen und Mehrfachmißbildungen ist die Phasenkontrastmikroskopie die am besten geeignete Methode. / Evaluation of fresh and frozen-thawed semen samples of fertile and subfertile stallions by light microscopy and transmission electron microscopy. Institut of Pathology of the Faculty of Veterinary Medicine, University of Leipzig Reproduktionsmedizinische Einheit der Kliniken der Tierärztlichen Hochschule Hannover In this study the ultrastructure of fresh and frozen-thawed semen samples of 50 stallions from the National Stud of Lower Saxony (Celle, Germany) were evaluated by light microscopy and transmission electron microscopy (TEM). Three ejaculates of each stallion were available for the motility analysis and the morphological analysis by lightmicroscopy after fixation in formol citrate. Based on the fertility data, the ejaculates of 12 stallions (3 fertile stallions, 3 subfertile stallions and 6 stallions of average fertility) were selected for the morphological analysis by TEM. The native samples and one frozen-thawed sample from these stallions were prepared for the TEM at the Institute of Pathology of the Faculty of Veterinary Medicine, Uni-versity of Leipzig. The sperm cells were washed and the seminal plasma from the native samples and the diluents of the frozen-thawed samples were replaced by a 5%-glutaraldehyde solution in a 0,1 M cacodylate buffer pH 7,2. The fixative was removed, the pellet was washed again and mixed with gelatin. The sperm rich fraction in the gelatin mass was excised and stored in glutaraldehyde. A second fixation in OsO4 was followed by a dehydratation in ethanol and a polymerization phase in epon. After 5 days of polymerization the starred samples were used for semi- and ultratight cuts. The latter were placed on a copper grid, contrasted with uranyl acetate and lead citrate and analyzed with the transmission electron micro-scope (EM 900) by 80 kV. In the fresh samples, 360 sperm cells were examined per stallion, whereas in the frozen-thawed samples only 120 sperm cells per stallion were evaluated. The microscopic pictures were of a high quality. However, the sperm plasma membrane showed some fixation artifacts. In the thawed samples a lower contrast was noticed than in the fresh samples. The sperm cells in the frozen-thawed samples showed an increase in acrosome defects, acrosome reactions, damage of the cell plasma membrane, mitochondria, fibrous sheet and outer dense fibers. The latter defect was associated with a decrease in proximal and distal cytoplasmatic droplets. Swollen acrosomes with a lower matrix density and a bright mitochondrial matrix were typically present in the cryopreserved samples. The ultrastructural defects in these samples, examined by TEM, have led to the development of a standard evaluation protocol with the most common sperm defects in stallion semen. TEM is an expensive and time consuming technique, which cannot be used to obtain quantitative results, but is considered as an accurate method for the qualitative examination of semen samples in cases of unexplained subfertility. TEM can especially be recommended for the diagnosis of nuclear (nuclear malformations and pouches) and acrosomal defects (acrosome deformations, acrosome vacuoles, detached acrosomes and acrosome reactions), mitochondrial (mitochondrial sheet defects, mitochondrial proliferation, decrease in mitochondrial matrix density) and axonema malformations (anormal position or quantity of microtubules and fibrous sheet or outer dense fibers defects) and the detection of immature sperm cells in ejaculates. The results of this study state that TEM can be useful for the evaluation of both fresh and frozen-thawed semen samples. Compared to the light microscopic evaluation of stallion sperm, the TEM images give more precise information because of their higher magnification rate and the ability to reveal internal sperm structures. However, light microscopy remains the best method to detect sperm neck defects, deformed tailes and sperm cells with multiple heads or tails.

Grenzflächen von Übergangsmetalloxiden in Halbleiterbauelementen bestimmen die Funktionalität auf vielfältige Art und Weise. In dieser Arbeit werden die Nb2O5|Metall- (Metall = Al, Ti, Pt), die TiN|TiO2- und die Si|SrTiO3-Grenzfläche mittels röntgenographischer Methoden sowie der Transmissionselektronenmikroskopie hinsichtlich ihrer Defektchemie, kristallographischen Anpassung und thermischen Stabilität untersucht. Die lokale elektronische Analyse der Nb2O5|Ti- sowie Nb2O5|Al-Grenzfläche zeigt die Ausbildung eines Sauerstoffleerstellengradienten im Nb2O5 durch die Oxidation der unedlen Elektrode. Der elektrische Widerstand dieser beiden Metall-Isolator-Metall-(MIM)-Stapel mit Pt-Bodenelektrode kann reversibel geschalten werden. Diese experimentellen Befunde lassen sich direkt miteinander verknüpfen, da an der Nb2O5|Pt-Grenzfläche weder eine Redoxreaktion stattfindet, noch im Pt|Nb2O5|Pt-Stapel der Widerstand geschaltet werden kann. MIM-Stapel bestehend aus TiN, TiO2 und Au weisen zwar Schaltverhalten des elektrischen Widerstandes auf, lassen aber keine Abweichung der Stöchiometrie im Transmissionselektronenmikroskop erkennen. Die strukturellen Betrachtungen der TiN|TiO2-Grenzfläche verdeutlichen, dass bei der Heteroepitaxie das Aufwachsen der thermodynamisch stabileren TiO2-Modifikation unterdrückt wird, insofern das Substrat eine geeignete kristallographische Orientierung aufweist. So kristallisiert Anatas, eher als Rutil, auf der (001)-Oberfläche des TiN mit einer festen Orientierungsbeziehung. Die thermische Stabilität der Si|SrTiO3-Grenzfläche hängt hingegen stark von der Kationenstöchiometrie des ternären Perowskites ab. Für die Kristallisation der amorphen SrTiO3-Dünnschichten ergibt sich eine Korrelation zwischen der Einsatztemperatur und der Schichtabscheidemethode. / Interfaces of transition metal oxides in semiconductor devices determine their functionalities in a variety of ways. In this work Nb2O5|metal- (metal = Al, Ti, Pt), TiN|TiO2- and Si|SrTiO3-interfaces are investigated by means of X-ray-based methods and transmission electron microscopy with respect to their defect chemistry, crystallographic orientation and thermal stability. From local electronic analysis of the Nb2O5|Ti- as well as Nb2O5|Al-interface the formation of an oxygen vacancy gradient in the Nb2O5 caused by an oxidation of the ignoble electrode can be inferred. The electrical resistance of both types of metal-insulator-metal-(MIM)-stacks, containing a Pt bottom electrode, can be switched reversibly. These experimental findings are directly linked to each other, since at the Nb2O5|Pt-interface no redox reaction based oxygen redistribution takes place and the Pt|Nb2O5|Pt-stack reveals no switching behavior. Using MIM-stacks consisting of TiN, TiO2 und Au switching the electrical resistance is possible, but no stoichiometric deviation was observed in the transmission electron microscope. Structural considerations at the TiN|TiO2-interface clarify that hetero-epitaxy can suppress the growth of the thermodynamically stable TiO2-modification due to suitable crystallographic orientation of the TiN-substrate. Thus, anatase, rather than rutile, crystallizes on the (001)-TiN-surface with a fixed structural coherency. The thermal stability of the Si|SrTiO3-interface strongly depends on the cation stoichiometry of the ternary perovskite. Therefore, crystallization onset temperature correlates to the specific technique of thin film deposition.

Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur mathematischen Untersuchung der Darwin-Howie-Whelan (DHW) Gleichungen. Sie werden üblicherweise zur Beschreibung und Simulation der Diffraktion schneller Elektronen in der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) verwendet. Sie bilden ein System aus Gleichungen für unendlich viele Enveloppenfunktionen, das aus der Schrödinger-Gleichung abgeleitet werden kann. Allerdings wird für Simulation von TEM Bildern nur ein endlicher Satz von Enveloppenfunktionen verwendet, was zu einem System von gewöhnlichen Differentialgleichungen in Richtung der Dicke der Probe führt. Bis jetzt gibt es keine systematische Analyse zur Genauigkeit dieser Näherungen in Abhängigkeit von der Auswahl der verwendeten endlichen Sätze von Enveloppenfunktionen. Diese Frage wird hier untersucht, indem die mathematische Struktur des Systems analysiert wird und Fehlerabschätzungen zur Bewertung der Genauigkeit spezieller Näherungen hergeleitet werden, wie der Zweistrahl-Approximation oder der sogennanten systematischen Reihe. Anschließend wird ein mathematisches Modell und eine Toolchain für die numerische Simulation von TEM-Bildern von Halbleiter-Quantenpunkten entwickelt. Es wird eine Simulationsstudie an Indium-Gallium-Arsenid-Quantenpunkten mit unterschiedlicher Geometrie durchgeführt und die resultierenden TEM Bilder werden mit experimentellen Bildern verglichen. Schließlich werden die in TEM Bildern beobachteten Symmetrien im Hinblick auf die DHW Gleichungen untersucht. Dazu werden mathematische Resultate formuliert und bewiesen, die zeigen dass die Intensitäten der Lösungen der DHW Gleichungen unter bestimmten Transformationen invariant sind. Durch die Kombination dieser Invarianten mit spezifischen Eigenschaften des Deformationsfeldes können dann die in TEM Bildern beobachteten Symmetrien erklärt werden. Die Ergebnisse werden anhand ausgewählter Beispiele aus dem Bereich der Halbleiter-Nanostrukturen wie Quantensichten und Quantenpunkte demonstriert. / In this thesis a mathematical study on the Darwin--Howie--Whelan (DHW) equations is provided. The equations are commonly used to describe and simulate the scattering of fast electrons in transmission electron microscopy (TEM). They are a system for infinitely many envelope functions, derived from the Schrödinger equation. However, for the simulation of images only a finite set of envelope functions is used, leading to a finite system of ordinary differential equations in the thickness direction of the specimen. Until now, there has been no systematic discussion about the accuracy of approximations depending on the choice of the finite sets used. This question is approached here by studying the mathematical structure of the system and providing error estimates to evaluate the accuracy of special approximations, like the two-beam and the systematic-row approximation. Then a mathematical model and a toolchain for the numerical simulation of TEM images of semiconductor quantum dots (QDs) is developed. A simulation study is performed on indium gallium arsenide QDs with different shapes and the resulting TEM images are compared to experimental ones. Finally, symmetries observed in TEM images are investigated with respect to the DHW equations. Then, mathematical proofs are given showing that the intensities of the solutions of the DHW equations are invariant under specific transformations. A combination of these invariances with specific properties of the strain profile can then explain symmetries observed in TEM images. The results are demonstrated by using selected examples in the field of semiconductor nanostructures, such as quantum wells and quantum dots.

Die Polarität ist ein kritisches Thema für das III-Nitrid-Materialsystem, das sich auf die Qualität und Eigenschaften von epitaktischen Schichten, sowie auf die Leistungfähigkeit von auf Nitrid-Materialien basierenden Bauelementen auswirkt. Das Verständnis der elementaren Mechanismen, die für die Ausbildung von Metall- oder Stickstoffpolarität der Schichten bei Abscheidung auf unpolarem Substrat verantwortlich sind, fehlt jedoch. Die bestehenden Konzepte basieren auf empirischen Beobachtungen und sind teilweise widersprüchlich. Einer der Hauptgründe dafür ist der Mangel an präzisen Charakterisierungsmethoden, die eine lokale Bestimmung der Polarität und atomarer Struktur von Schichten erlauben, als die wesentlichen Konzepte der Polaritätskontrolle aufgestellt wurden. In dieser Arbeit entwickeln wir ein Konzept der Polaritätskontrolle in AlN- und GaN-Schichten, welche mittels metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) auf Saphirsubstraten gewachsen sind. Die Polarität der Schichten wird mit Hilfe von aberrationskorrigierter Hochauflösungstransmissionselektronenmikroskopie und Z-Kontrastabbildung (Ordnungszahlkontrast) im Rastertransmissionselektronenmikroskop untersucht. Die Auswertung der experimentellen Untersuchungen ergibt Erkenntnisse bezüglich folgender Themen: (i) zum Mechanismus, der die Polaritätsauswahl steuert; (ii) zur Beziehung zwischen Saphir-Oberflächennitridierung und Al-polaren Domänen in ansonsten N-polaren AlN-Schichten; (iii) zur Möglichkeit des kontrollierten Wechsel von N- hin zu Al-polaren Schichten durch ein Sauerstofftempern. Das Verständnis dieser Mechanismen, durch die die Polarität bestimmt wird, eröffnet die Möglichkeit der gezielten Manipulierung der Polarität und Polaritätsabfolge in Nitridschichten und kann einen Hinweis zum Verständnis der Polaritätskontrolle in anderen Materialsystemen (z. B. Oxiden) geben. / La polarité est une question critique pour le système de matériaux III-nitrures, qui a un impact sur la qualité des films épitaxies et la performance des dispositifs à base de nitrure. Mais la compréhension des mécanismes élémentaires responsables de l'établissement de la polarité N ou métallique des films sur le substrat non-polaire manque. Les concepts existants sont basés sur des observations empiriques et contiennent des résultats ambigus. Une des raisons principales est le manque d'outils analytiques, permettant la détermination localisée de la polarité et de la structure atomique des couches à l'époque, lorsque les concepts de contrôle de la polarité ont été établis. Dans ce travail, nous développons un concept de contrôle de la polarité dans les couches AlN et GaN épitaxies sur substrat de saphir par EPVOM. La polarité des couches est étudiée par microscopie électronique en transmission (MET) haute résolution corrigée des aberrations et par microscope électronique à balayage en transmission en champ sombre (HAADF-STEM). L'analyse des investigations expérimentales donne les principaux résultats suivants : (i) le mécanisme qui régit la sélection de la polarité; (ii) la relation entre la nitruration de la surface et les domaines de polarité Al dans les films d'AlN N-polaire; (iii) possibilité d’inverser la polarité N de films d’AlN de polarité mixte en introduisant un recuit sous oxygène. La compréhension de mécanisme par lequel la polarité est contrôlée ouvre les possibilités d'une ingénierie de polarité dans les films de nitrure et peut donner une idée de la compréhension du contrôle de la polarité dans d'autres systèmes de matériaux (par exemple, les oxydes). / Polarity is a critical issue for III-nitrides material system that has an impact on the quality and properties of epitaxial films and the performance of nitride-based devices. But the understanding of the elementary mechanisms that are responsible for establishing metal or nitrogen polarity of the films grown on nonpolar substrate is lacking. The existing concepts are based on empirical observations and contain ambiguous results. One of the main reasons for that is the lack of precise characterization tools, allowing localized determination of polarity and atomic structure of layers, at the time, when main concepts for polarity control were established. In this work we develop a concept of polarity control in AlN and GaN layers grown by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) on sapphire substrates. The polarity of the layers is studied by aberration corrected HRTEM and high resolution high-angle annular dark field (HAADF) scanning TEM. The analysis of the experimental investigations yields the following principal results about: (i) the mechanism that governs polarity selection; (ii) the relation between sapphire surface nitridation and Al-polar domains in N-polar AlN films; (iii) the possibility of controlled switching the layers polarity from N to Al by oxygen annealing. The understanding of these mechanisms by which polarity is controlled opens up the possibility for polarity engineering in nitride films and can give a clue to understanding polarity control in other material systems (e.g. oxides).

Bacterial cell wall proteins (S-layer) are - due to both the capability to self-assemble into two-dimensional crystals and their distinct chemical and structural properties - suitable for the deposition of metallic particles at their surface . The cluster growth is subject of this thesis. The binding of metal complexes to S-layers of Bacillus sphaericus and Sporosarcina ureae and their subsequent reduction leads to the formation of regularly arranged platinum or palladium cluster arrays on the biomolecular template. A heterogeneous nucleation mechanism is proposed for this process consisting of the binding of metal complexes and their subsequent reduction. The kinetics of the process and the binding of the complexes to the protein are characterized by UV/VIS spectroscopy. This thesis focuses on structural investigations by means of transmission electron microscopy, electron holography, scanning force microscopy, image analysis, and image processing. Preferred cluster-deposition sites are determined by correlation averaging. A more precise determination and quantification is obtained by Multivariate Statistical Analysis. Furthermore a method for the electron beam induced formation of highly-ordered metallic cluster arrays in the transmission electron microscope and a fast screening method for surface layers of Gram-positive bacteria are presented. / Bakterielle Zellhüllenproteine (S-Layer) eignen sich durch ihre Fähigkeit zur Selbstassemblierung zu zweidimensionalen Kristallen und durch ihre besonderen chemischen und strukturellen Eigenschaften zur Abscheidung regelmäßiger metallischer Partikel auf ihrer Oberfläche. In dieser Arbeit wird das Clusterwachstum auf S-Layern untersucht. Die Anbindung von Metallkomplexen an S-Layer von Bacillus sphaericus und Sporosarcina ureae und deren Reduktion führt zur Abscheidung periodisch angeordneter metallischer Platin- bzw. Palladiumcluster auf dem Biotemplat. Für diese Clusterbildung wird ein heterogener Keimbildungsmechanismus vorgeschlagen, bestehend aus Komplexanbindung und Reduktion. Die Bestimmung der Prozeßkinetik und die Charakterisierung der Anbindung der Komplexe an das Protein erfolgt mittels UV/VIS-Spektroskopie. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bilden strukturelle Untersuchungen mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie, der Elektronenholographie, der Rasterkraftmikroskopie und der Bildanalyse und Bildverarbeitung. Durch Korrelationsmittelung werden Strukturinformationen gewonnen, die eine Bestimmung der lateral bevorzugten Clusterpositionen ermöglichen. Für die auf S-Layern erzeugten Clusterarrays wird die Belegung der einzelnen Positionen mittels Multivariater Statistischer Analyse genauer quantifiziert. Außerdem werden eine Methode zur Erzeugung hochgeordneter metallischer Partikelarrays unter dem Einfluß des Elektronenstrahles im Transmissionselektronenmikroskop und eine Methode zum schnellen Test Gram-positiver Bakterienstämme auf die Existenz von S-Layern vorgestellt.

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