Systematische Untersuchungen zur Abscheidung von Zirconiumdioxid auf keramischen Fasermaterialien und einer Platin-Iridium-Legierung (PtIr20) sowie eine umfassende und vergleichende Charakterisierung der entstandenen Oxidfilme waren Gegenstand dieser Arbeit. Als Precursoren wurden Zirconium(IV)-tetra-tert.-butoxid (ZTB), Zirconium(IV)-chlorid und Sauerstoff verwendet. Für die kontinuierliche Beschichtung der oxidischen Fasern (NEXTEL-720-Multifilamentrovings) wurde ein thermisch induzierter Heißwand-CVD-Prozess (ZrCl4 + O2) entwickelt, die Abscheidung von ZrO2 auf unmodifiziertem bzw. oberflächlich oxidierten PtIr20 fand in einem statisch geführten Kaltwand-CVD-Verfahren unter Verwendung von ZTB statt. Die Charakterisierung der Zirconiumdioxidfilme erfolgte in Abhängigkeit von den Prozessparametern (z.B. Substratart, Beschichtungstemperatur, Zuggeschwindigkeit) mit Methoden wie: Infrarot- und Ramanspektroskopie (Detektion von Verunreinigungen und Phasenzusammensetzung), Röntgendiffraktometrie (Phasenanalyse, Ermittlung von Vorzugsorientierungen), Elektronenstrahlmikroanalyse (Stöchiometrie des ZrO2 und Kohlenstoffgehalt der Schichten), Rasterelektronenmikroskopie (Topologie der Filme) und Bündelzugversuch (Einfluss des ZrO2 auf die 50-%-Zugfestigkeit der Filamente).

Die neuen TRIP-Matrix-Composite-Werkstoffe - verstärkt durch mit MgO teilstabilisiertem ZrO2 - gestatten es, durch die Besonderheiten der beteiligten Phasen eine gute Eigenschaftskombination hinsichtlich hoher Festigkeits- und Dehnungswerte zu erzielen. Aus diesem Grund ist die vorliegende Arbeit der Erforschung wissenschaftlicher Grundlagen zur Herstellung von TRIP-Matrix-Compositen sowie zur Analyse deren Eigenschaften in Abhängigkeit von den unterschiedlichen pulvermetallurgischen Herstellungsverfahren, wie konventionelles und konduktives Sintern sowie Heißpressen gewidmet worden. Als Ergebnis ist ein tieferes Verständnis der Kinetik von Sinterprozessen mit dem Aufbau eines physikalisch-mathematischen Modells festzuhalten. Ferner wurden mit weiterführenden Untersuchungen erste Ansätze zur Auslegung von Warmumformprozessen von gesinterten Halbzeugen aus dem Verbundwerkstoff durch quantitative Beschreibung der Entfestigungskinetik geleistet.

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Die Rückstandsanalytik tierischer Lebensmittel ist eine anspruchsvolle Aufgabe aufgrund des hohen Lipidanteils der Proben sowie des sich stetig vergrößernden Wirkstoffspektrums. Heutzutage werden für die Probenaufarbeitung die DFG S 19 Methode, mit der vorrangig unpolare Analyten nachgewiesen werden und zunehmend die QuEChERS Methode eingesetzt, die insbesondere auf die Erfassung polarer Pestizide abzielt. In dieser Arbeit wurde eine moderne Multirückstandsmethode für Hühnereier entwickelt, um sowohl gas- als auch flüssigkeitschromatographisch (GC, LC) erfassbare Wirkstoffe zu analysieren. Dazu gehören unpolare PCBs, Pyrethroide und Organochlorpestizide, aber auch polarere Organophosphate, Triazole und Carbamate. Das Verfahren basiert auf der Extraktion mittels Matrix Solid Phase Dispersion, der Reinigung auf Grundlage einer modifizierten Gelpermeationschromatographie (GPC) und zwei verschiedenen Festphasenextraktionen (SPEs) für GC- und LC-erfassbare Pestizide sowie der Quantifizierung mittels GC- und LC-MS/MS. Dünnschichtchromatographisch wurde die effektive Entfernung hochmolekularer Lipide durch die modifizierte GPC und niedrigmolekularer Fette durch die SPEs belegt. Laut der für Ei durchgeführten Validierung erfüllten 164 der 172 untersuchten Pestizide und alle sechs PCBs die Leistungskriterien für die amtliche Rückstandskontrolle - zumeist am niedrigsten validierten Level (5 µg/kg bzw. 0,5 µg/kg). Ausnahmen bildeten sehr polare LC-Pestizide (z.B. Aminopyralid, Clopyralid, MCPA, Quinmerac) und pH-Wert-abhängige GC-Analyten (Nicotin, Tolylfluanid, Dichlofluanid), die auch mit den etablierten Verfahren schwierig zu analysieren sind. Weiterhin verdeutlichte die erfolgreiche Untersuchung von verschiedenen Ringversuchsmaterialien, dass die ursprünglich für Eier entwickelte Methode auch für mageres Geflügelfleisch und Sahne genutzt werden kann. Gegenüber den etablierten Verfahren wies die neue Methode deutliche Vorzüge auf. So belegte die Dünnschichtchromatographie, dass mit der neuen Methode Cholesterin, aber auch freie Fettsäuren besser abgetrennt werden als mit den etablierten Verfahren. Die neue Methode verbrauchte im Vergleich zur DFG S 19 Methode 46 % weniger Lösungsmittel und ermöglichte eine Verdopplung des Probendurchsatzes innerhalb von 8 h. Zudem eignete sich das entwickelte Verfahren laut den Validierungsdaten für GC-Analyten deutlich besser als die QuEChERS Methode und etwas besser als die DFG S 19 Methode (v.a. für Pyrethroide). Hinsichtlich der LC-Analyten unterschieden sich die neue und die QuEChERS Methode nur bei wenigen Analyten. Mit dem neuen Verfahren konnten folglich im Gegensatz zu den etablierten Methoden sowohl unpolare GC- als auch polare LC-Analyten sicher erfasst werden.

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Nanokristalle werden beispielsweise für eine Anwendung in Solarzellen, Lichtemittern und nichtflüchtigen Datenspeichern diskutiert. Damit diese Anwendungen funktionieren können, ist eine genaue Kontrolle der Kristallitgröße sowie der Flächendichte und Lage der Kristallite in der Matrix wichtig. Zudem sollte die Matrix amorph sein, da amorphe Matrixmaterialien die Nanokristall-Oberfläche besser passivieren und beständiger gegen Leckströme sind. In dieser Arbeit werden Ge-Nanokristalle in die Hoch-Epsilon-Dielektrika ZrO2 und TaZrOx eingebettet. Im System Ge/ZrO2 kristallisieren die Ge-Cluster und die ZrO2-Matrix bei der gleichen Temperatur. Aufgrund der kristallinen Matrix weicht die Form der Ge-Nanokristalle von einer Kugel ab, worunter unter anderem die Größenkontrolle leidet. Die Beimischung von Ta2O5 stabilisiert die amorphe Phase des ZrO2 und verhindert dadurch die gemeinsame Kristallisation. Dadurch wird es im System Ge/TaZrOx möglich, kugelförmige Ge-Nanokristalle im Größenbereich von 3 nm bis 6 nm positionskontrolliert in eine amorphe Matrix einzubetten. Für die Untersuchung einer möglichen Anwendung des Materialsystems wurden Speicherzellen eines nichtflüchtigen Datenspeichers auf Basis von Ge-Nanokristallen hergestellt. Dabei zeigte sich, dass das System Ge/TaZrOx überdurchschnittlich viele Ladungen speichert und daher für diese Anwendung vielversprechend ist. Zudem stabilisiert die Beimischung von Ta2O5 eine extrem seltene orthorhombische Modifikation des ZrO2. Für ferroelektrische Datenspeicher könnte diese Phase eine aussichtsreiche Alternative zum HfO2 sein.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neuartige keramik- und stahlreiche Verbundwerkstoffe, auf Basis von MgO-teilstabilisiertem Zirkoniumdioxid und hochlegiertem austenitischem TRIP Stahl entwickelt. Die keramikreiche Verbundwerkstoffe mit bis zu 30 Vol.% metallischer Partikelverstärkung wurden über die Schlickergusstechnologie bzw. die Druckschlickergusstechnologie hergestellt und können als thermo-mechanisch beanspruchte Bauteile zum Einsatz kommen. Es wurden weiterhin metallreiche Verbundwerkstoffe mit bis zu 10 Vol.% keramischer Partikelverstärkung erstmalig über die Papiertechnologie hergestellt. Dadurch ergeben sich vielfältige Möglichkeiten metallreiche Leichtbaustrukturen mit verbesserten Energieabsorptionsvermögen zu erzeugen. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stand die Entwicklung der keramikreichen Schlicker, die Formgebungstechnologien, die Entwicklung geeigneter Entbinderungs- und Sinterregime sowie die Charakterisierung der Verbundwerkstoffe hinsichtlich ihrer Mikrostruktur sowie der mechanischen bzw. der thermo-mechanischen Eigenschaften.

Die Rückstandsanalytik tierischer Lebensmittel ist eine anspruchsvolle Aufgabe aufgrund des hohen Lipidanteils der Proben sowie des sich stetig vergrößernden Wirkstoffspektrums. Heutzutage werden für die Probenaufarbeitung die DFG S 19 Methode, mit der vorrangig unpolare Analyten nachgewiesen werden und zunehmend die QuEChERS Methode eingesetzt, die insbesondere auf die Erfassung polarer Pestizide abzielt. In dieser Arbeit wurde eine moderne Multirückstandsmethode für Hühnereier entwickelt, um sowohl gas- als auch flüssigkeitschromatographisch (GC, LC) erfassbare Wirkstoffe zu analysieren. Dazu gehören unpolare PCBs, Pyrethroide und Organochlorpestizide, aber auch polarere Organophosphate, Triazole und Carbamate. Das Verfahren basiert auf der Extraktion mittels Matrix Solid Phase Dispersion, der Reinigung auf Grundlage einer modifizierten Gelpermeationschromatographie (GPC) und zwei verschiedenen Festphasenextraktionen (SPEs) für GC- und LC-erfassbare Pestizide sowie der Quantifizierung mittels GC- und LC-MS/MS. Dünnschichtchromatographisch wurde die effektive Entfernung hochmolekularer Lipide durch die modifizierte GPC und niedrigmolekularer Fette durch die SPEs belegt. Laut der für Ei durchgeführten Validierung erfüllten 164 der 172 untersuchten Pestizide und alle sechs PCBs die Leistungskriterien für die amtliche Rückstandskontrolle - zumeist am niedrigsten validierten Level (5 µg/kg bzw. 0,5 µg/kg). Ausnahmen bildeten sehr polare LC-Pestizide (z.B. Aminopyralid, Clopyralid, MCPA, Quinmerac) und pH-Wert-abhängige GC-Analyten (Nicotin, Tolylfluanid, Dichlofluanid), die auch mit den etablierten Verfahren schwierig zu analysieren sind. Weiterhin verdeutlichte die erfolgreiche Untersuchung von verschiedenen Ringversuchsmaterialien, dass die ursprünglich für Eier entwickelte Methode auch für mageres Geflügelfleisch und Sahne genutzt werden kann. Gegenüber den etablierten Verfahren wies die neue Methode deutliche Vorzüge auf. So belegte die Dünnschichtchromatographie, dass mit der neuen Methode Cholesterin, aber auch freie Fettsäuren besser abgetrennt werden als mit den etablierten Verfahren. Die neue Methode verbrauchte im Vergleich zur DFG S 19 Methode 46 % weniger Lösungsmittel und ermöglichte eine Verdopplung des Probendurchsatzes innerhalb von 8 h. Zudem eignete sich das entwickelte Verfahren laut den Validierungsdaten für GC-Analyten deutlich besser als die QuEChERS Methode und etwas besser als die DFG S 19 Methode (v.a. für Pyrethroide). Hinsichtlich der LC-Analyten unterschieden sich die neue und die QuEChERS Methode nur bei wenigen Analyten. Mit dem neuen Verfahren konnten folglich im Gegensatz zu den etablierten Methoden sowohl unpolare GC- als auch polare LC-Analyten sicher erfasst werden.:1 EINLEITUNG UND ZIELSTELLUNG 1 2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN 3 2.1 Grundlagen der Pestizidanalytik 3 2.1.1 Definitionen 3 2.1.2 Rechtliche Grundlagen in Bezug auf tierische Lebensmittel 3 2.2 Herausforderung der Analytik tierischer Lebensmittel 6 2.2.1 Erfassen eines breiten Analytspektrums 6 2.2.2 Komplexität der tierischen Matrix 8 2.3 Probenaufarbeitung tierischer Lebensmittel 11 2.3.1 Extraktion 11 2.3.2 Möglichkeiten der Lipid-Reinigung 14 2.3.3 Messmethoden in der modernen Pestizidanalytik 18 2.4 Multimethoden in der Pestizidanalytik tierischer Lebensmittel 21 2.4.1 Vorstellung etablierter Multimethoden 21 2.4.2 Vergleich etablierter Multimethoden 24 2.4.3 Forschungsergebnisse bezüglich fetthaltiger Matrizes bis 2010 26 3 ERGEBNISSE 28 3.1 Auswahl relevanter Analyten in tierischen Lebensmitteln 28 3.2 Auswahl der Matrix Hühnerfrischei 30 3.3 Messung mittels GC-MS/MS und LC-MS/MS 32 3.3.1 Ansatz 32 3.3.2 Erstellung einer GC-MS/MS Datenbank 33 3.3.3 Besonderheiten der SRM-Messmethoden 36 3.3.4 Vorsäulen-Backflush in der Gaschromatographie 38 3.3.5 Leistungsfähigkeit der SRM-Methoden 44 3.4 Beurteilung des Reinigungseffektes 45 3.5 Entwicklung der Probenaufarbeitungsmethode 47 3.5.1 Ziele und allgemeines Vorgehen 47 3.5.2 Extraktion mittels Matrix Solid Phase Dispersion 48 3.5.3 Konzentrierung von Lösungsmittelextrakten 55 3.5.4 Lipidentfernung durch Ausfrieren 56 3.5.5 Modifizierung der GPC zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit 57 3.5.6 Festphasenextraktion 63 3.6 Analysemethode für Eier 78 3.7 Validierung der neuen Analysemethode 82 3.7.1 Hintergrund und Durchführung 82 3.7.2 Linearität 83 3.7.3 Spezifität 84 3.7.4 Wiederfindungsraten und Wiederholbarkeit 84 3.7.5 Bestimmungsgrenze 88 3.7.6 Matrix-spezifische Auswirkung auf die Analyten 88 3.8 Vergleich mit etablierten Probenaufarbeitungsmethoden 89 3.8.1 Ansatz 89 3.8.2 Reinigungseffekt 90 3.8.3 Validierungsdaten 93 3.8.4 Identifizierung und Quantifizierung anhand gewachsener Rückstände 95 3.8.5 Zusammenfassende Bewertung 97 3.9 Untersuchung verschiedener Ringversuchsmaterialien 99 4 DISKUSSION 103 4.1 Entwickelte Analysemethode 103 4.2 Ausblick 111 5 ZUSAMMENFASSUNG 113 6 LITERATUR 117 7 ANHANG A-1

In der vorliegenden Arbeit wird das Hauptaugenmerk auf die Untersuchung der Auswirkungen einer Modifikation der zugänglichen Prozessparameter auf die funktionalen Eigenschaften oxidischer Dünnfilme während der gepulsten Laserabscheidung (PLD) gelegt. Der erste Teil der Arbeit stellt die Herstellung von BaTiO3/SrTiO3-Mehrfach-Heterostrukturen auf thermisch und chemisch vorbehandelten SrTiO3-Substraten mittels gepulster Laserabscheidung (PLD) vor. Die zugängliche in-situ Wachstumskontrolle durch ein reflection high-energy electron diffraction (RHEED)-System ermöglicht es die Wachstumsprozesse in Echtzeit zu überwachen. Angestrebt wird ein stabiler zwei-dimensionaler Wachstumsmodus, der neben glatten Grenzflächen auch eine hohe Dünnfilmqualität ermöglicht. Es wird erstmals die prinzipielle Anwendbarkeit von BaTiO3/SrTiO3-Heterostrukturen als Bragg-Spiegel aufgezeigt. Für BaTiO3- sowie SrTiO3-Dünnfilme wurden die PLD-Parameter Substrattemperatur, Sauerstoffpartialdruck, Energiedichte des Lasers sowie Flussdichte der Teilchen variiert und die Auswirkungen auf die strukturellen, optischen und Oberflächeneigenschaften mittels Röntgendiffraktometrie (XRD), spektraler Ellipsometrie (SE) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) beleuchtet. Im zweiten Teil werden ZnO/MgxZn1−xO-Quantengrabenstrukturen hetero- und homoepitaktisch auf thermisch vorbehandelten a-Saphir- respektive m- und a-orientierten ZnO-Einkristallen vorgestellt. Die Realisierung eines zwei-dimensionalen „layer-by-layer“ Wachstumsmodus wird für die Quantengrabenstrukturen aufgezeigt. Die Quantengrabenbreite lässt sich aus beobachteten RHEED-Oszillationen exakt bestimmen. Ein Vergleich zwischen, mittels Photolumineszenz gemessenen Quantengrabenübergangsenergien als Funktion der Grabenbreite mit theoretisch ermittelten Werten wird vorgestellt, wobei der Unterschied zwischen polaren und nicht-polaren Strukturen mit Blick auf eine Anwendung aufgezeigt wird. Für c-orientierte ZnO-Dünnfilme wird das Wachstum im Detail untersucht und ein alternativer Abscheideprozess im so genannten Intervall PLD-Verfahren vorgestellt. Die Verifizierung der theoretischen Prognose einer ferromagnetischen Ordnung mit einer Curie-Temperatur oberhalb Raumtemperatur (RT) für kubische, Mangan stabilisierte Zirkondioxid (MnSZ)-Dünnfilme stellt den dritten Teil der Arbeit dar. Die strukturellen Eigenschaften der Dünnfilme werden mittels XRD, AFM sowie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Die Bedingungen einer erfolgreichen Stabilisierung der kubischen Kristallphase durch den Einbau von Mn wird aufgezeigt. Mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) sowie Elektronenspinresonanz (EPR) wird der Ladungszustand der, in der Zirkondioxidmatrix eingebauten, Mn-Ionen ermittelt. Die elektrischen Eigenschaftenwerden durch Strom-Spannungsmessungen(IU) sowie der Leitungstyp durch Seebeck-Effekt Messungen charakterisiert. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit werden die MnSZ Dünnfilme in verschiedenen Atmosphären thermisch behandelt und Veränderungen durch IU-Messungen aufgezeigt. Ergebnisse von optischen Untersuchungen mittels Transmissionsmessungen und KL werden präsentiert. Superconducting quantum interference device (SQUID)-Magnetometrie wird zur Charakterisierung der magnetischen Eigenschaften genutzt. Magnetische Ordnungen im Bereich zwischen 5 K ≤ T ≤ 300 K werden untersucht und der Einfluss von Defekten sowie einer thermischen Behandlung in verschiedenen Atmosphären auf die magnetischen Eigenschaften diskutiert.

In der vorliegenden Arbeit wird das Hauptaugenmerk auf die Untersuchung der Auswirkungen einer Modifikation der zugänglichen Prozessparameter auf die funktionalen Eigenschaften oxidischer Dünnfilme während der gepulsten Laserabscheidung (PLD) gelegt. Der erste Teil der Arbeit stellt die Herstellung von BaTiO3/SrTiO3-Mehrfach-Heterostrukturen auf thermisch und chemisch vorbehandelten SrTiO3-Substraten mittels gepulster Laserabscheidung (PLD) vor. Die zugängliche in-situ Wachstumskontrolle durch ein reflection high-energy electron diffraction (RHEED)-System ermöglicht es die Wachstumsprozesse in Echtzeit zu überwachen. Angestrebt wird ein stabiler zwei-dimensionaler Wachstumsmodus, der neben glatten Grenzflächen auch eine hohe Dünnfilmqualität ermöglicht. Es wird erstmals die prinzipielle Anwendbarkeit von BaTiO3/SrTiO3-Heterostrukturen als Bragg-Spiegel aufgezeigt. Für BaTiO3- sowie SrTiO3-Dünnfilme wurden die PLD-Parameter Substrattemperatur, Sauerstoffpartialdruck, Energiedichte des Lasers sowie Flussdichte der Teilchen variiert und die Auswirkungen auf die strukturellen, optischen und Oberflächeneigenschaften mittels Röntgendiffraktometrie (XRD), spektraler Ellipsometrie (SE) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) beleuchtet. Im zweiten Teil werden ZnO/MgxZn1−xO-Quantengrabenstrukturen hetero- und homoepitaktisch auf thermisch vorbehandelten a-Saphir- respektive m- und a-orientierten ZnO-Einkristallen vorgestellt. Die Realisierung eines zwei-dimensionalen „layer-by-layer“ Wachstumsmodus wird für die Quantengrabenstrukturen aufgezeigt. Die Quantengrabenbreite lässt sich aus beobachteten RHEED-Oszillationen exakt bestimmen. Ein Vergleich zwischen, mittels Photolumineszenz gemessenen Quantengrabenübergangsenergien als Funktion der Grabenbreite mit theoretisch ermittelten Werten wird vorgestellt, wobei der Unterschied zwischen polaren und nicht-polaren Strukturen mit Blick auf eine Anwendung aufgezeigt wird. Für c-orientierte ZnO-Dünnfilme wird das Wachstum im Detail untersucht und ein alternativer Abscheideprozess im so genannten Intervall PLD-Verfahren vorgestellt. Die Verifizierung der theoretischen Prognose einer ferromagnetischen Ordnung mit einer Curie-Temperatur oberhalb Raumtemperatur (RT) für kubische, Mangan stabilisierte Zirkondioxid (MnSZ)-Dünnfilme stellt den dritten Teil der Arbeit dar. Die strukturellen Eigenschaften der Dünnfilme werden mittels XRD, AFM sowie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Die Bedingungen einer erfolgreichen Stabilisierung der kubischen Kristallphase durch den Einbau von Mn wird aufgezeigt. Mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) sowie Elektronenspinresonanz (EPR) wird der Ladungszustand der, in der Zirkondioxidmatrix eingebauten, Mn-Ionen ermittelt. Die elektrischen Eigenschaftenwerden durch Strom-Spannungsmessungen(IU) sowie der Leitungstyp durch Seebeck-Effekt Messungen charakterisiert. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit werden die MnSZ Dünnfilme in verschiedenen Atmosphären thermisch behandelt und Veränderungen durch IU-Messungen aufgezeigt. Ergebnisse von optischen Untersuchungen mittels Transmissionsmessungen und KL werden präsentiert. Superconducting quantum interference device (SQUID)-Magnetometrie wird zur Charakterisierung der magnetischen Eigenschaften genutzt. Magnetische Ordnungen im Bereich zwischen 5 K ≤ T ≤ 300 K werden untersucht und der Einfluss von Defekten sowie einer thermischen Behandlung in verschiedenen Atmosphären auf die magnetischen Eigenschaften diskutiert.:Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1. Thermodynamische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.1. Konzept der Übersättigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.2. Beschreibung der Grenz- bzw. Oberfläche . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2. Keimbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.1. Thermodynamische Grundlagen der Keimbildung . . . . . .. . . . 12 2.2.2. Atomistische Beschreibung der Keimbildung . . . . . . . . . . . . . 14 2.3. Besonderheiten der Schichtbildung in Homo- und Heteroepitaxie 16 2.3.1. Homoepitaxie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.2. Heteroepitaxie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4. Wachstumskinetik in der gepulsten Laserabscheidung . . . . . . . 19 3. Experimentelle Details 21 3.1. Probenherstellung – Gepulste Laser Abscheidung (PLD) . . . . . . 21 3.1.1. Allgemeine Grundlagen der PLD . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.1.2. Reflection high-energy electron diffraction . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.1.3. PLD-Kammer mit in-situ RHEED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.1.4. PLD-Kammer ohne in-situ RHEED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2. Strukturelle und chemische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . 29 3.2.1. Röntgendiffraktometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2.2. Rasterkraftmikroskopie . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.3. Transmissionselektronenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.4. Energiedispersive Röntgenspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.5. Rutherford-Rückstreuspektrometrie und Partikel-induzierte Röntgenemission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.6. Röntgenphotoelektronenspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3. Optische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3.1. Transmissionsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3.2. Lumineszenzmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3.3. Spektroskopische Ellipsometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.4. Raman-Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.4. Magnetische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.4.1. Messungen der Magnetisierung mit einem SQUID-Magnetometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 39 3.4.2. Elektronenspinresonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.5. Elektrische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.5.1. Strom-Spannungs-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.5.2. Seebeck Effekt Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4. Die Herstellung und Charakterisierung von BaTiO3/SrTiO3-Bragg-Spiegeln mittels PLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.1. Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2. Bragg-Spiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3. Die Materialien Strontiumtitanat und Bariumtitanat . . . . . . . . . . 45 4.3.1. Kristallstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.2. Substrateigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.4. Epitaktische BaTiO3-Dünnfilme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.4.1. Heteroepitaktische BaTiO3-Dünnfilme auf SrTiO3 (001)-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.4.2. Initiale Wachstumsphasen von BaTiO3-Dünnfilmen auf SrTiO3 (001)-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4.3. Auswirkung der PLD-Abscheideparameter auf epitaktische BaTiO3-Dünnfilme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 4.4.4. Veränderung der optischen Konstanten durch die Modifikation der PLD-Abscheideparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.5. Epitaktische SrTiO3-Dünnfilmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.6. Abscheidung von BaTiO3/SrTiO3-Bragg-Spiegel . . . . . . . . . . . . . 73 4.6.1. BaTiO3/SrTiO3-Einfach–Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.6.2. BaTiO3/SrTiO3-Mehrfach–Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.6.3. BaTiO3/SrTiO3-Bragg-Spiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.6.4. Abschlussbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5. Die Herstellung und Charakterisierung von ZnO/MgxZn1−xO-Quantengräben mittels PLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.1. Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.2. Die Materialien ZnO und MgxZn1−xO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.2.1. ZnO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.2.2. MgxZn1−xO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.3. Quantengrabenstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.3.1. Exzitonen im Zinkoxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.3.2. Quantum-Confined Stark Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.4. Die Abscheidung von ZnO- und MgxZn1−xO-Dünnfilmen mittels PLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.4.1. Heteroepitaktische Abscheidung von ZnO- und MgxZn1−xO-Dünnfilmen auf a-Saphir-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.4.2. Homoepitaktische Abscheidung von ZnO- und MgxZn1−xO-Dünnfilmen auf verschiedenen ZnO-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.5. Die Herstellung von ZnO/MgxZn1−xO-Quantengrabenstrukturen auf verschiedenen Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.5.1. Heteroepitaktische Quantengrabenstrukturen auf a-Saphir-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.5.2. Anmerkungen zu homoepitaktischen Quantengrabenstrukturen abgeschieden auf c-ZnO-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 5.5.3. Homoepitaktischen Quantengrabenstrukturen abgeschieden auf nicht-polaren ZnO-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 5.5.4. Abschlussbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 6. Die Herstellung und Charakterisierung von Mangan stabilisierten Zirkondioxid als potentieller verdünnter magnetischer Halbleiter mittels PLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.1. Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.2. Theoretische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 6.2.1. Spintronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 6.2.2. Verdünnte magnetische Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.2.3. Ferromagnetische Kopplung in verdünnten magnetische Halbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 6.3. Mangan stabilisiertes Zirkondioxid als möglicher DMS . . . . . . . . 162 6.4. Das Material Zirkondioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 6.4.1. Die Phasen des Zirkondioxids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 6.5. Substrateigenschaften von (001) und (111) orientiertem Yttrium stabilisierten Zirkondioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 6.6. Untersuchungen an Mangan stabilisierten Zirkondioxid Dünnfilmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176 6.6.1. Strukturelle und chemische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . 177 6.6.2. Analyse der unterschiedlichen Phasen im Mangan stabilisierten Zirkondioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190 6.6.3. Elektrische und optische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . 203 6.6.4. Magnetische Charakterisierung von Mangan stabilisiertem Zirkondioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .210 6.6.5. Magnetische Charakterisierung von nominell undotiertem Zirkondioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221 6.6.6. MnSZ-Mehrfach-Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 6.6.7. Einfluss einer thermischen Behandlung auf die magnetischen Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227 6.6.8. Zusammenfassung der Messergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . 232 6.7. Abschlussbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 7. Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 8. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 A. Symbole und Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 B. Liste der Veröffentlichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 C. Danksagung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 D. Curriculum Vitae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .286 E. Selbstständigkeitserklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287