The development of a multicellular organism, such as a human or an animal, begins with the fertilization of an egg cell. Thereupon the organism grows by repeated cell divisions until the adult size is reached and growth stops. Although it is known that intrinsic mechanisms determine the final size of developing organs and organisms, the basic principles of growth control are still poorly understood. However, there is strong evidence that certain morphogens, which are a special class of signaling molecules, act as growth factors and play a key role in growth control. In this work, growth control is studied from a mainly theoretical viewpoint. A discrete vertex model describing the organization of cells by a network of polygons is used, including a description of the cell cycle and a description of dynamical morphogen distributions. Self-organized growth is studied by introducing growth rules that govern cell divisions based on the local morphogen level. This discrete description is complemented by a continuum theory to gain further insight into the dynamics of self-organized growth processes. The theoretical description is applied to the developing wing of the fruit fly Drosophila melanogaster. In the developing wing, which is an epithelium consisting of single-layered cell sheets, the morphogen Decapentaplegic (Dpp) acts as a key growth factor. Experimental data shows that the Dpp distribution is dynamic and adapts to the size of the developing wing. Two mechanisms that rely on a regulatory molecule species and lead to such a dynamic behaviour of the Dpp distribution are studied. Several growth rules are tested and the resulting growth behaviour is quantitatively compared to experimental data of the developing wing. A particular growth rule, that triggers a cell division when the local morphogen level has increased by a certain relative amount, is found to be consistent with experimental observations under normal and several perturbed conditions. It is shown that mechanical stresses that arise due to spatial growth inhomogeneities can have a stabilizing effect on the growth process.

Zentrales Thema dieser Dissertation ist die Untersuchung anorganisch/organischer Hybridsysteme (HIOS) mit besonderem Fokus auf den speziellen Prozessen an der Grenzfläche beider Materialklassen. Organische Moleküle, in Verbindung mit anorganischen Halbleitern haben ein großes Potenzial für Anwendungen in zukünftigen optoelektronischen Hybridbauteilen, indem sie Vorteile zweier unterschiedlicher Welten kombinieren. Entscheidend für die Herstellung von hybriden Strukturen ist das Verständnis der Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen organischem und anorganischem Material. In dieser Arbeit werden diese Wechselwirkungen analysiert, um eine Wachstumskontrolle an der Grenzfläche zwischen konjugierten organischen Molekül und anorganischem Halbleiter zu ermöglichen. Hierfür werden unterschiedliche Ansätze verfolgt: Im ersten Teil der Arbeit wird die Wechselwirkung des Modellsystems Sexiphenyl (6P) an der Grenzfläche zu ZnO untersucht, sowie das Wachstum des Moleküls mittels verschiedener Methoden kontrolliert. Das daraus gewonnene Wissen kann im zweiten Teil dazu verwendet werden einen hybriden ZnO/6P/ZnO-Stapel zu realisieren, bei dem die organische Schicht ohne Beeinträchtigung der Kristallstruktur, mit definierten Grenzflächen bis hin zur atomaren/molekularen Ebene, überwachsen werden kann. Der letzte Teil der Arbeit befasst sich mit der optischen Echtzeit-Beobachtung während des organischen Wachstums verschiedener Moleküle. Dadurch ist es möglich Veränderungen von Struktureigenschaften und Wechselwirkungen zwischen Molekülen und dem Substrat zerstörungsfrei zu bestimmen, während diese aufgewachsen werden. Hierdurch können schlussendlich mögliche Mechanismen aufgezeigt werden, um elektronische und optische Wechselwirkung an der Grenzfläche zwischen organischem Molekül und anorganischen Halbleitern zu analysieren, sowie Wachstumsprozesse weiter zu verstehen und kontrollieren. / The central subject of this thesis are hybrid inorganic/organic systems (HIOS) with a focus on the specific processes at the interface between the two material classes. Organic molecules used together with inorganic semiconductors, have a great potential for future optoelectronic applications in hybrid components, by combining the advantages of two dissimilar worlds. Decisive for the production of hybrid structures is the understanding of the interactions at the interface between organic and inorganic material. In this thesis, the interactions are analyzed to enable growth control at the interface between conjugated organic molecules and inorganic semiconductors. In the first part of the thesis, the interaction of the model system sexiphenyl (6P) at the interface with ZnO, as well as approaches to control the growth of the molecule are being investigated. The knowledge gained here is used in the second part to realize a hybrid ZnO/6P/ ZnO stack, in which the organic layer can be overgrown without affecting the crystal structure, exhibiting defined interfaces down to the atomic/molecular level. The last part of the thesis deals with real time optical observation during organic growth of different molecules. By this changes in structural properties and interactions between molecules and the substrate can be non-destructively determined as they are growing. Ultimately, a comprehensive insight into the optical and electronic interactions at the interface between organic molecules and inorganic semiconductors can be gained and possible control mechanisms are shown.

The development of a multicellular organism, such as a human or an animal, begins with the fertilization of an egg cell. Thereupon the organism grows by repeated cell divisions until the adult size is reached and growth stops. Although it is known that intrinsic mechanisms determine the final size of developing organs and organisms, the basic principles of growth control are still poorly understood. However, there is strong evidence that certain morphogens, which are a special class of signaling molecules, act as growth factors and play a key role in growth control. In this work, growth control is studied from a mainly theoretical viewpoint. A discrete vertex model describing the organization of cells by a network of polygons is used, including a description of the cell cycle and a description of dynamical morphogen distributions. Self-organized growth is studied by introducing growth rules that govern cell divisions based on the local morphogen level. This discrete description is complemented by a continuum theory to gain further insight into the dynamics of self-organized growth processes. The theoretical description is applied to the developing wing of the fruit fly Drosophila melanogaster. In the developing wing, which is an epithelium consisting of single-layered cell sheets, the morphogen Decapentaplegic (Dpp) acts as a key growth factor. Experimental data shows that the Dpp distribution is dynamic and adapts to the size of the developing wing. Two mechanisms that rely on a regulatory molecule species and lead to such a dynamic behaviour of the Dpp distribution are studied. Several growth rules are tested and the resulting growth behaviour is quantitatively compared to experimental data of the developing wing. A particular growth rule, that triggers a cell division when the local morphogen level has increased by a certain relative amount, is found to be consistent with experimental observations under normal and several perturbed conditions. It is shown that mechanical stresses that arise due to spatial growth inhomogeneities can have a stabilizing effect on the growth process.

In dieser Arbeit werden neue Strategien zur Wachstumskontrolle funktionaler organischer Dünnschichtmaterialien aufgezeigt, mit denen sich die Eigenschaften molekularer Schichtsysteme gezielt beeinflussen lassen. Ein Fokus liegt dabei auf der Untersuchung des Einflusses von optischen Feldern auf das Wachstumsverhalten. Ein weiterer Schwerpunkt wird auf das Grundlagenverständnis von thermisch aktivierten, kinetischen Prozessen, die die Morphologie während und nach dem Schichtwachstum beeinflussen, gelegt. Zuerst wird am Beispiel des molekularen Halbleiters Sexithiophen (6T) gezeigt, wie sich Kontrolle über das Kristallphasengleichgewicht während des Wachstums auf Kaliumchlorid (KCl) erzielen lässt. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine neue Herangehensweise zur direkten Ausrichtung von Molekülkristallen im optischen Feld während ihrer Entstehung studiert. Am Beispiel von Tetracene wird gezeigt wie sich so optische anisotrope Absorptionseigenschaften von Molekülen dazu nutzen lassen den Brechungsindex eines polykristallinen Films lokal durch ein photolitographisches Verfahren zu beeinflussen. Im dritten Teil wird der Einfluss von dynamisch variierenden Wachstumsbedingungen während des Schichtwachstums von PTCDI-C8 studiert. Es wird gezeigt, dass sich die Oberflächenrauigkeit stark reduzieren lässt, indem zu Beginn des Wachstums jeder individuellen molekularen Monolage die Nukleationsdichte stark erhöht und in den darauf folgenden Wachstumsphasen die Diffusivität gezielt gesteigert wird. Im vierten Teil wird das Diffusionsverhalten von n-Alkan Schichten unter thermischen Einflüssen betrachtet. Es wird gezeigt, dass die inhärente molekulare Anisotropie von C44H90 Molekülen (TTC) sowie die sehr geringe, stark anisotrope, Oberflächenenergie dieses Materials ein ungewöhnliches Diffusionsverhalten auslöst. / The research performed in the framework of this thesis focuses on new strategies to effectively control the growth of crystalline thin films of functional organic molecules and attributes the quest for additional growth control parameters in organic molecular beam deposition (OMBD). First the influence of light on the growth process of the sexithiophene (6T) is studied. We find that 6T thin films deposited as conventional in dark environments on KCl exhibit a bimodal growth with phase coexistence of two crystal polymorphs. In contrast, films grown under illumination with 532 nm light show increased phase purity. Further, we establish light-directed molecular self-assembly (LDSA) to generate permanently aligned thin films of tetracene (C18H12) and demonstrate direct patterning with light. Polarized light illumination leads to azimuthally photoaligned films on isotropic, amorphous substrates. Thus, LDSA can be regarded as a new degree of freedom in the quest for control-parameters in organic thin film growth. Next the impact of dynamic temperature oscillations on the time scales of molecular monolayer growth during organic molecular beam deposition is discussed. We strongly increase the island density during nucleation and selectively increase interlayer diffusion at later stages of monolayer growth. We analyse the interplay between molecular interlayer transport and island sizes to understand kinetic processes during growth. In a fourth experiment we show how thermal annealing can be used to improve smoothness and to increase the lateral size of crystalline islands of n-alkane (TTC, C44H90) films. We employ real-time optical phase contrast microscopy to track the diffusion across monomolecular step edges which causes the unusual smoothing during annealing. We rationalise the smoothing behaviour with the highly anisotropic attachment energies and low surface energies of TTC.

Since there is a continuous shrinking of feature sizes in ultra-large scale integrated (ULSI) circuits, requirements on materials and technology are going to rise dramatically in the near future. In particular, at the interconnect system this calls for new concepts and materials. Therefore, carbon nanotubes (CNTs) are considered as a promising material to replace partly or entirely metal interconnects in such devices. The present thesis aims to make a contribution to the CNT growth control with the thermal chemical vapor deposition (CVD) method and the integration of CNTs as vertical interconnects (vias) in ULSI circuits. Different support/catalyst systems are examined in processes for catalyst pretreatment and CNT growth. The investigations focus on the catalyst formation and the interactions at the interfaces. Those effects are related to the CNT growth. To get an insight into interactions at interfaces, film structure, composition, and CNT growth characteristics, samples are extensively characterized by techniques like AFM, SEM, TEM, XRD, XPS, and Raman spectroscopy. Screening studies on nanoparticle formation and CNT growth with the well known system SiO2/Ni are presented. This system is characterized by a weak support/catalyst interaction, which leads to undirected growth of multi-walled CNTs (MWCNTs). By contrast, at the Ta/Ni system a strong interaction causes a wetting of catalyst nanoparticles and vertically aligned MWCNT growth. At the system W/Ni a strong interaction at the interface is found as well, but there it induces Stranski-Krastanov catalyst film reformation upon pretreatment and complete CNT growth inhibition. Studies on the SiO2/Cr/Ni system reveal that Cr and Ni act as a bi-catalyst system, which leads to a novel nanostructure defined as interlayer CNT (ICNT) structure. The ICNT films are characterized by well crystallized vertically aligned MWCNTs, which grow out a Cr/Ni layer lifted off as a continuous and very smooth layer from the substrate with the growth. Besides, this nanostructure offers new possibilities for the integration of CNTs in different electronic applications. Based on the presented possibilities of manipulating CNT growth, an integration technology was derived to fabricate CNT vias. The technology uses a surface mediated site-selective CVD for the growth of MWCNTs in via structures. Developments are demonstrated with the fabrication of via test vehicles and the site-selective growth of MWCNTs in vias on 4 inch wafers. Furthermore, the known resistance problem of CNT vias, caused by too low CNT density, is addressed by a new approach. A CNT/metal heterostructure is considered, where the metal is implemented through atomic layer deposition (ALD). The first results of the coating of CNTs with readily reducible copper oxide nanoparticles are presented and discussed. / Aufgrund der kontinuierlichen Verkleinerung von Strukturen in extrem hoch integrierten (engl. Ultra-Large Scale Integration − ULSI) Schaltkreisen werden die Anforderungen an die Materialien und die Technologie in naher Zukunft dramatisch ansteigen. Besonders im Leitbahnsystem sind neue Materialien und Konzepte gefragt. Kohlenstoffnanoröhren (engl. Carbon Nanotubes − CNT) stellen hierbei ein vielversprechendes Material dar, um teilweise oder sogar vollständig metallische Leitbahnen zu ersetzen. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur CNT-Wachstumskontrolle mit der thermischen Gasphasenabscheidung (engl. Chemical Vapor Deposition − CVD) sowie der Integration von CNTs als vertikale Leitungsverbindungen (Via) in ULSI-Schaltkreisen. Verschiedene Untergrund/Katalysator-Systeme werden in Prozessen zur Katalysatorvorbehandlung sowie zum CNT-Wachstum betrachtet. Die Untersuchungen richten sich insbesondere auf die Katalysatorformierung und die Wechselwirkungen an den Grenzflächen. Diese werden mit dem CNT-Wachstum in Verbindung gebracht. Für Untersuchungen von Grenzflächeninteraktionen, Schichtstruktur, Zusammensetzung sowie CNT-Wachstumscharakteristik werden Analysen mit AFM, REM, TEM, XRD, XPS und Raman-Spektroskopie genutzt. Zunächst werden Voruntersuchungen an dem gut bekannten System SiO2/Ni zur Nanopartikelformierung und CNTWachstum vorgestellt. Dieses System ist gekennzeichnet durch eine schwache Wechselwirkung zwischen Untergrund und Katalysator sowie ungerichtetem Wachstum von mehrwandigen CNTs (MWCNTs). Im Gegensatz dazu hat bei dem System Ta/Ni eine starke Interaktion an der Grenzfläche eine Katalysatornanopartikelbenetzung und vertikales MWCNT-Wachstum zur Folge. Für das W/Ni-System gelten ebenfalls starke Interaktionen an der Grenzfläche. Bei diesem System wird allerdings eine Stranski-Krastanov-Schichtformierung des Katalysators und eine vollständige Unterbindung von CNT-Wachstum erreicht. Bei dem System SiO2/Cr/Ni agieren Cr und Ni als Bi- Katalysatorsystem. Dies führt zu einer neuartigen Nanostruktur, die als Zwischenschicht-CNT (engl. Interlayer Carbon Nanotubes − ICNTs) Struktur definiert wird. Die Schichten sind durch eine gute Qualität von gerichteten MWCNTs charakterisiert, die aus einer geschlossenen, sehr glatten und von den CNTs getragenen Cr/Ni-Schicht herauswachsen. Darüber hinaus bietet die Struktur neue Möglichkeiten für die Integration von CNTs in verschiedene elektronische Anwendungen. Auf der Grundlage der vorgestellten Manipulationsmöglichkeiten von CNT-Wachstum wurde eine Integrationstechnologie für CNTs in Vias abgeleitet. Der Ansatz ist eine oberflächeninduzierte selektive CVD von vertikal gerichteten MWCNTs in Via-Strukturen. Diese Technologie wird mit der Herstellung von einem Via-Testvehikel und dem selektiven CNT-Wachstum in Vias auf 4 Zoll Wafern demonstriert. Um das Widerstandsproblem von CNT-Vias, verursacht durch eine zu niedrige CNT-Dichte, zu reduzieren, wird eine Technologieerweiterung vorgeschlagen. Der Ansatz geht von einer CNT/Metall-Heterostruktur aus, bei der das Metall mit Hilfe der Atomlagenabscheidung (engl. Atomic Layer Deposition − ALD) implementiert wird. Es werden erste Ergebnisse zur CNT-Beschichtung mit reduzierbaren Kupferoxidnanopartikeln vorgestellt und diskutiert.

Since there is a continuous shrinking of feature sizes in ultra-large scale integrated (ULSI) circuits, requirements on materials and technology are going to rise dramatically in the near future. In particular, at the interconnect system this calls for new concepts and materials. Therefore, carbon nanotubes (CNTs) are considered as a promising material to replace partly or entirely metal interconnects in such devices. The present thesis aims to make a contribution to the CNT growth control with the thermal chemical vapor deposition (CVD) method and the integration of CNTs as vertical interconnects (vias) in ULSI circuits. Different support/catalyst systems are examined in processes for catalyst pretreatment and CNT growth. The investigations focus on the catalyst formation and the interactions at the interfaces. Those effects are related to the CNT growth. To get an insight into interactions at interfaces, film structure, composition, and CNT growth characteristics, samples are extensively characterized by techniques like AFM, SEM, TEM, XRD, XPS, and Raman spectroscopy. Screening studies on nanoparticle formation and CNT growth with the well known system SiO2/Ni are presented. This system is characterized by a weak support/catalyst interaction, which leads to undirected growth of multi-walled CNTs (MWCNTs). By contrast, at the Ta/Ni system a strong interaction causes a wetting of catalyst nanoparticles and vertically aligned MWCNT growth. At the system W/Ni a strong interaction at the interface is found as well, but there it induces Stranski-Krastanov catalyst film reformation upon pretreatment and complete CNT growth inhibition. Studies on the SiO2/Cr/Ni system reveal that Cr and Ni act as a bi-catalyst system, which leads to a novel nanostructure defined as interlayer CNT (ICNT) structure. The ICNT films are characterized by well crystallized vertically aligned MWCNTs, which grow out a Cr/Ni layer lifted off as a continuous and very smooth layer from the substrate with the growth. Besides, this nanostructure offers new possibilities for the integration of CNTs in different electronic applications. Based on the presented possibilities of manipulating CNT growth, an integration technology was derived to fabricate CNT vias. The technology uses a surface mediated site-selective CVD for the growth of MWCNTs in via structures. Developments are demonstrated with the fabrication of via test vehicles and the site-selective growth of MWCNTs in vias on 4 inch wafers. Furthermore, the known resistance problem of CNT vias, caused by too low CNT density, is addressed by a new approach. A CNT/metal heterostructure is considered, where the metal is implemented through atomic layer deposition (ALD). The first results of the coating of CNTs with readily reducible copper oxide nanoparticles are presented and discussed. / Aufgrund der kontinuierlichen Verkleinerung von Strukturen in extrem hoch integrierten (engl. Ultra-Large Scale Integration − ULSI) Schaltkreisen werden die Anforderungen an die Materialien und die Technologie in naher Zukunft dramatisch ansteigen. Besonders im Leitbahnsystem sind neue Materialien und Konzepte gefragt. Kohlenstoffnanoröhren (engl. Carbon Nanotubes − CNT) stellen hierbei ein vielversprechendes Material dar, um teilweise oder sogar vollständig metallische Leitbahnen zu ersetzen. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur CNT-Wachstumskontrolle mit der thermischen Gasphasenabscheidung (engl. Chemical Vapor Deposition − CVD) sowie der Integration von CNTs als vertikale Leitungsverbindungen (Via) in ULSI-Schaltkreisen. Verschiedene Untergrund/Katalysator-Systeme werden in Prozessen zur Katalysatorvorbehandlung sowie zum CNT-Wachstum betrachtet. Die Untersuchungen richten sich insbesondere auf die Katalysatorformierung und die Wechselwirkungen an den Grenzflächen. Diese werden mit dem CNT-Wachstum in Verbindung gebracht. Für Untersuchungen von Grenzflächeninteraktionen, Schichtstruktur, Zusammensetzung sowie CNT-Wachstumscharakteristik werden Analysen mit AFM, REM, TEM, XRD, XPS und Raman-Spektroskopie genutzt. Zunächst werden Voruntersuchungen an dem gut bekannten System SiO2/Ni zur Nanopartikelformierung und CNTWachstum vorgestellt. Dieses System ist gekennzeichnet durch eine schwache Wechselwirkung zwischen Untergrund und Katalysator sowie ungerichtetem Wachstum von mehrwandigen CNTs (MWCNTs). Im Gegensatz dazu hat bei dem System Ta/Ni eine starke Interaktion an der Grenzfläche eine Katalysatornanopartikelbenetzung und vertikales MWCNT-Wachstum zur Folge. Für das W/Ni-System gelten ebenfalls starke Interaktionen an der Grenzfläche. Bei diesem System wird allerdings eine Stranski-Krastanov-Schichtformierung des Katalysators und eine vollständige Unterbindung von CNT-Wachstum erreicht. Bei dem System SiO2/Cr/Ni agieren Cr und Ni als Bi- Katalysatorsystem. Dies führt zu einer neuartigen Nanostruktur, die als Zwischenschicht-CNT (engl. Interlayer Carbon Nanotubes − ICNTs) Struktur definiert wird. Die Schichten sind durch eine gute Qualität von gerichteten MWCNTs charakterisiert, die aus einer geschlossenen, sehr glatten und von den CNTs getragenen Cr/Ni-Schicht herauswachsen. Darüber hinaus bietet die Struktur neue Möglichkeiten für die Integration von CNTs in verschiedene elektronische Anwendungen. Auf der Grundlage der vorgestellten Manipulationsmöglichkeiten von CNT-Wachstum wurde eine Integrationstechnologie für CNTs in Vias abgeleitet. Der Ansatz ist eine oberflächeninduzierte selektive CVD von vertikal gerichteten MWCNTs in Via-Strukturen. Diese Technologie wird mit der Herstellung von einem Via-Testvehikel und dem selektiven CNT-Wachstum in Vias auf 4 Zoll Wafern demonstriert. Um das Widerstandsproblem von CNT-Vias, verursacht durch eine zu niedrige CNT-Dichte, zu reduzieren, wird eine Technologieerweiterung vorgeschlagen. Der Ansatz geht von einer CNT/Metall-Heterostruktur aus, bei der das Metall mit Hilfe der Atomlagenabscheidung (engl. Atomic Layer Deposition − ALD) implementiert wird. Es werden erste Ergebnisse zur CNT-Beschichtung mit reduzierbaren Kupferoxidnanopartikeln vorgestellt und diskutiert.