TY  - THES
A1  - Paul, Markus Christian
T1  - Molecular beam epitaxy and properties of magnetite thin films on semiconducting substrates
T1  - Molekularstrahlepitaxie und Eigenschaften dünner Magnetitfilme auf Halbleitersubstraten
N2  - The present thesis is concerned with molecular beam epitaxy of magnetite (Fe3O4) thin films on semiconducting substrates and the characterization of their structural, chemical, electronic, and magnetic properties. Magnetite films could successfully be grown on ZnO substrates with high structural quality and atomically abrupt interfaces. The films are structurally almost completely relaxed exhibiting nearly the same in-plane and out-of-plane lattice constants as in the bulk material. Films are phase-pure and show only small deviations from the ideal stoichiometry at the surface and in some cases at the interface. Growth proceeds via wetting layer plus island mode and results in a domain structure of the films. Upon coalescence of growing islands twin-boundaries (rotational twinning) and anti-phase boundaries are formed. The overall magnetization is nearly bulk-like, but shows a slower approach to saturation, which can be ascribed to the reduced magnetization at anti-phase boundaries. However, the surface magnetization which was probed by x-ray magnetic circular dichroism was significantly decreased and is ascribed to a magnetically inactive layer at the surface. Such a reduced surface magnetization was also observed for films grown on InAs and GaAs. Magnetite could also be grown with nearly ideal iron-oxygen stoichiometry on InAs substrates. However, interfacial reactions of InAs with oxygen occur and result in arsenic oxides and indium enrichment. The grown films are of polycrystalline nature. For the fabrication of Fe3O4/GaAs films, a postoxidation of epitaxial Fe films on GaAs was applied. Growth proceeds by a transformation of the topmost Fe layers into magnetite. Depending on specific growth conditions, an Fe layer of different thickness remains at the interface. The structural properties are improved in comparison with films on InAs, and the resulting films are well oriented along [001] in growth direction. The magnetic properties are influenced by the presence of the Fe interface layer as well. The saturation magnetization is increased and the approach to saturation is faster than for films on the other substrates. We argue that this is connected to a decreased density of anti-phase boundaries because of the special growth method. Interface phases, viz. arsenic and gallium oxides, are quantified and different growth conditions are compared with respect to the interface composition.
N2  - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Molekularstrahlepitaxie von dünnen Magnetitfilmen (Fe3O4) auf Halbleitersubstraten und der Charakterisierung ihrer strukturellen, chemischen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften. Magnetitfilme konnten auf ZnO Substraten mit hoher struktureller Qualität und scharfen Grenzflächen durch Kodeposition von Eisen und Sauerstoff gewachsen werden. Die Filme sind strukturell nahezu vollständig relaxiert und weisen innerhalb und außerhalb der Wachstumsebene annähernd die Gitterkonstante von Einkristallen auf. Weiterhin sind die hergestellten Proben phasenrein und zeigen nur an der Oberfläche und in einigen Fällen an der Grenzfläche allenfalls kleine Abweichungen von der idealen Stöchiometrie. Das Wachstum erfolgt im Stranski-Krastanov-Modus und resultiert in einer Domänenstruktur der Filme. Beim Zusammenwachsen der Inseln entstehen Antiphasengrenzen und Zwillingsgrenzen. Die Volumenmagnetisierung der Filme ist annähernd gleich der eines Einkristalls, jedoch ist das Einmündungsverhalten in die Sättigung aufgrund von reduzierter Magnetisierung an Antiphasengrenzen deutlich langsamer. Dagegen ist die Oberflächenmagnetisierung, welche mit der Methode des Röntgenzirkulardichroismus untersucht wurde, erheblich reduziert, was auf eine magnetisch inaktive Schicht an der Oberfläche schließen lässt. Diese Reduzierung der Oberflächenmagnetisierung wurde auch für Filme, die auf InAs oder GaAs deponiert wurden, beobachtet. Ebenfalls konnte Magnetit mit nahezu idealem Eisen-Sauerstoff-Verhältnis auf InAs gewachsen werden. Bei diesem Substrat treten jedoch Grenzflächenreaktionen des Indiumarsenids mit Sauerstoff auf, die eine Arsenoxidphase und eine Indiumanreicherung bewirken. Die Filme wachsen hier nur polykristallin. Für die Herstellung von Fe3O4/GaAs-Filmen wurde die Methode der Nachoxidation von epitaktischen Eisenfilmen benutzt. Das Wachstum läuft dabei durch Transformation der obersten Lagen des Eisenfilms zu Magnetit ab. Abhängig von den genauen angewandten Wachstumsbedingungen bleibt dabei eine Eisenschicht unterschiedlicher Dicke an der Grenzfläche übrig. Die strukturellen Eigenschaften sind im Vergleich zu Filmen auf InAs verbessert und die Proben sind gut entlang der [001]-Richtung orientiert. Die magnetischen Eigenschaften werden ebenfalls durch die Eisen-Grenzflächenschicht beeinflusst. Die Sättigungsmagnetisierung ist erhöht und tritt bei niedrigeren Magnetfeldern auf. Dieses Verhalten ist offenbar mit einer geringeren Dichte an Antiphasengrenzen aufgrund des andersartigen Wachstumsmechanismus verknüpft. Auftretende Grenzflächenphasen wurden quantifiziert und unterschiedliche Wachstumsbedingungen im Hinblick auf die Grenzflächenzusammensetzung verglichen.
KW  - Molekularstrahlepitaxie
KW  - Dünne Schicht
KW  - Magnetit
KW  - Physikalische Eigenschaft
KW  - Halbleitersubstrat
KW  - Photoelektronenspektroskopie
KW  - Röntgenabsorption
KW  - Röntgenbeugung
KW  - Elektronenbeugung
KW  - molecular beam epitaxy
KW  - photoelectron spectroscopy
KW  - x-ray magnetic circular dichroism
KW  - magnetic oxide
KW  - thin film
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-56044
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TY  - THES
A1  - Herold, Volker
T1  - In vivo MR-Mikroskopie am kardiovaskulären System der Maus
T1  - In vivo MR-microscopy of the murine cardiovascular system
N2  - Als Tiermodell ist die Maus aus der pharmazeutischen Grundlagenforschung nicht mehr wegzudenken. Aus diesem Grund nimmt besonders die Verfügbarkeit nicht invasiver Diagnoseverfahren für dieses Tiermodell einen sehr hohen Stellenwert ein. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von in vivo MR-Untersuchungsmethoden zur Charakterisierung des kardiovaskulären Systems der Maus. Neben der morphologischen Bildgebung wurde ein besonderer Schwerpunkt auf die Quantifizierung funktioneller Parameter der arteriellen Gefäße wie auch des Herzens gelegt. Durch Implementieren einer PC-Cine-Sequenz mit dreidimensionaler Bewegungskodierung war es möglich, die Charakteristik der Bewegung des gesamten Myokards zu untersuchen. Die Aufnahme von Bewegungsvektoren für jeden Bildpunkt und die Bestimmung des Torsionswinkels innerhalb der Messschichten konnte die systolische Kontraktion als dreidimensionale Wringbewegung des Herzens bestätigen. Um die Qualität der morphologischen Gefäßbildgebung zu verbessern, sollte untersucht werden, inwieweit bestehende Verfahren zur Gefäßwanddarstellung optimiert werden können. Implementieren einer Multi-Schicht-Multi-Spin-Echo-Sequenz an einem 17,6 Tesla Spektrometer erlaubte durch das hohe B0-Feld einen deutlichen Signalgewinn. Erstmals wurde es möglich, die gesunde Gefäßwand darzustellen und so morphologische Veränderungen in einem möglichst frühen Zustand zu untersuchen. Neben der Untersuchung morphologischer Veränderungen sollte vor allem ein Schwerpunkt auf das Studium funktioneller Parameter der Gefäßwand gelegt werden. Dazu wurde in einem ersten Schritt mit einem PC-Cine-Verfahren die Umfangsdehnung in ihrem zeitlichen Verlauf ermittelt. Dabei zeigte sich, dass im Laufe einer arteriosklerotischen Plaqueprogression eine Änderung der Umfangsdehnung vor einer Änderung morphologischer Parameter beobachtet werden kann. Deshalb war es Ziel, im Verlauf dieser Arbeit weitere Verfahren zur Charakterisierung funktioneller Parameter des Gefäßsystems zu entwickeln. Um direkt Elastizitätsparameter ermitteln zu können, fehlt als Bezugsgröße der arterielle Pulsdruck (AP). Die Lösung der inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen unter Anwendung der Lang-Wellen-Näherung und der Näherung für große Pulswellengeschwindigkeiten (PWV) erlaubte die Bestimmung der komplexen Impedanz und somit des arteriellen Pulsdrucks in der Frequenzdomäne. Dadurch war es möglich, den dynamischen Anteil des arteriellen Druckpulses direkt aus einer Messung der Pulswellengeschwindigkeit sowie aus dem Verlauf des Flusspulses zu bestimmen. Zur Ermittlung des AP muss die Pulswellengeschwindigkeit bestimmt werden. Für die MR-Bildgebung in murinen Gefäßen waren hierzu bisher keine Verfahren verfügbar. Da sich die Gefäßdehnung möglicherweise als Indikator für eine frühe Wandveränderung bei der Plaqueprogression zeigt, bestand ein großes Interesse in der Untersuchung von spezifischen gefäßmechanischen Eigenschaften wie beispielsweise der PWV. Im Rahmen dieser Arbeit konnten zwei MR-Methoden für die nicht invasive Bildgebung in der Maus entwickelt werden, die es ermöglichten, die lokale und die regionale Pulswellengeschwindigkeit zu bestimmen. Die Messung der lokalen Pulswellengeschwindigkeit beruht dabei auf der zeitaufgelösten Bestimmung der Gefäßwanddehnung sowie des Blutvolumenflusses. Zur Bestimmung der regionalen Pulswellengeschwindigkeit wurde eine Erweiterung der Zwei-Punkt-Transit-Zeit-Methode verwendet. Durch zeitaufgelöste bewegungskodierte Bildgebung entlang der Aorta konnte anhand von 30 Stützpunkten die Propagation des arteriellen Flusspulses vermessen werden. Die Messzeit gegenüber einer Zwei-Punkt-Methode ließ sich dadurch halbieren. Gleichzeitig bietet die Auswertung von 30 Messpunkten eine größere Sicherheit in der Bestimmung der PWV. Beide Methoden wurden an einem elastischen Gefäßphantom validiert. In vivo Tierstudien an apoE(−/−)-Mäusen und einer Kontrollgruppe zeigten für beide Methoden eine gute Übereinstimmung. Darüber hinaus konnte ein Ansteigen der Pulswellengeschwindigkeit in apoE(−/−)-Mäusen durch arteriosklerotische Veränderungen nachgewiesen werden. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit grundlegende Verfahren zur Untersuchung des kardiovaskulären Systems der Maus optimiert und entwickelt. Die Vielseitigkeit der MR-Bildgebung ermöglichte dabei die Erfassung von morphologischen und funktionellen Parametern. In Kombination können die beschriebenen Methoden als hilfreiche Werkzeuge für die pharmakologische Grundlagenforschung zur Charakterisierung von Herz-Kreislauf-Erkankungen in Mausmodellen eingesetzt werden.
N2  - The mouse model is considered as an essential animal model for the basic research in pharmacology. Therefore, the availability of non-invasive diagnostic methods for this species has gained important significance. The objective of this study was the development of methods to investigate the characteristics of the cardio-vascular system of mice with MR-technology. In addition to morphological imaging, the study was focused on the quantification of functional parameters of the arterial system as well as the mouse heart. By implementing a PC-Cine-sequence with three-dimensional motion encoding simultaneously with two dimensional spatial encoding, the comprehensive motion encoded datasets provided the access to motion patterns of the entire myocardium. It could be shown that the movement of the murine myocardium during systole is equivalent to a three-dimensional wring movement. To improve the quality of morphological imaging, this study also focused on the optimization of established methods visualizing the arterial wall. Implementing a multi-slice-multi-spin-(MSME)-echo method at 17.6 T allowed for a significant improvement of the SNR due to the high B0-field. For the first time the healthy vessel wall could thus be imaged; enabling the investigation of morphological changes at an early state of the atherosclerotic disease. In addition to the investigation of morphological changes, this paper was focused on the study of functional parameters of the arterial vessel wall. For that purpose, a PC-Cine-method was applied to determine the time course of the circumferential strain. The interim results thereby revealed that during atherosclerotic plaque progression, changes of the circumferential strain precede significant changes of the arterial wall thickness. These findings indicated the potential superiority of functional parameters over morphological properties and have motivated the development of further methods characterizing different functional parameters of the vessel wall. To calculate direct parameters of the vessel wall elasticity the according arterial pulse pressure (AP) is needed. Therefore the solution of the incompressible Navier-Stokes equations was applied using the long-wave approximation and the assumption of a high pulse wave velocity (PWV) compared to the blood flow velocity. Thus the complex impedance could be calculated enabling the computation of the pressure pulse in the frequency domain. The dynamic fraction of the arterial pulse pressure could be calculated by directly measuring the PWV and the time course of the blood flow velocity. To determine the AP the pulse wave velocity has to be known. Since no MR-methods were available for that purpose, two different approaches to calculate the PWV with MR methods were established in the course of this study. The two different approaches to estimate the PWV in the murine aorta allow the determination of the local PWV at a predefined location along the propagation pathway and the estimation of the regional PWV as the averaged value along a certain vessel wall segment. The measurement of the local pulse wave velocity is based on the time-resolved acquisition of the vessel wall strain and the blood volume flow. Both parameters were accessible by using a PC-Cine-sequence incorporating a specific acquisition scheme to sample the time-dependant data at a temporal resolution of 1000 frames per second. To determine the regional PWV an improvement of the two-point-transit-time method was implemented. By using time-resolved motion encoding along the propagation pathway 30 different interpolation points could be used to identify the respective starting time of the systolic pulse wave. Compared to the conventional two-point-measurement scheme, the total measurement time could thus be halved. Additionally, the use of 30 interpolation points significantly increased the accuracy of the calculation of the pulse wave velocity. Both methods were validated using an elastic vessel wall phantom. In vivo experiments with apoE(−/−)-mice and wild-type animals showed a good correlation between both methods. For the apoE(−/−)-mice an increase of the PWV could be identified when compared to the control group. In summary, this study provides the development and the optimization of MR-applications to investigate the cardiovascular system of mice. Measurements of functional parameters in combination with the study of morphological parameters can serve as a helpful tool for pharmacological research.
KW  - Maus
KW  - Kardiovaskuläres System
KW  - NMR-Bildgebung
KW  - NMR-Tomographie
KW  - MR-imaging
KW  - cardiovascular system
KW  - mice
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-54253
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TY  - THES
A1  - Stahl, Andreas
T1  - Röntgenstrukturuntersuchungen an spintronischen Halbleiter- und Halbmetall-Dünnschichtsystemen
T1  - X-ray analysis of spintronic semiconductor and half metal thin film systems
N2  - In dieser Arbeit wurden die strukturellen Eigenschaften von spintronischen Halbleiter- und Halbmetall-Dünnschichtsystemen untersucht. Mit Röntgenreflektivitätsmessungen konnten die Schichtdicken und Grenzflächenrauigkeiten der Mehrschichtsysteme sehr genau bestimmt werden. Hierfür wurde die Software Fewlay verwendet, welche den Parratt-Formalismus zur Berechnung der Reflektivität nutzt. An reziproken Gitterkarten, die an möglichst hoch indizierten Bragg-Reflexen gemessen wurden, konnte das Relaxationsverhalten der Schichtsysteme untersucht werden.
N2  - In this work the structural properties of spintronic semiconductor and halfmetalic thinfilm systems were investigated. The layer thicknesses and interface routhnesses of the multi-layer systems were estimated by X-ray reflectivity measurements. The fits were performed using the software Fewlay which uses the parratt formalism to calculate the reflectivities. The relaxation of the films was analyzed by reciprocal space mapping on preferably highly indexed bragg reflexes.
KW  - Halbleiterschicht
KW  - Spintronik
KW  - Röntgenstrukturanalyse
KW  - Halbmetall
KW  - Röngenbeugung
KW  - semiconductor
KW  - half metal
KW  - x-ray diffraction
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-49309
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TY  - THES
A1  - Sachs, Sönke
T1  - Organische Halbleiter: Fundamentale Aspekte von Metallkontakten, hochgeordneten Schichten und deren Anwendung in Feldeffekttransistoren
T1  - Organic semiconductors: Fundamental aspects of metal contacts, highly ordered films and the application in field effect transistors
N2  - Eingebettet in ein Konzept zum Aufbau eines Hochleistungs-Feldeffekt-Transistors auf der Basis organischer Halbleiter (OFET), werden in der vorliegenden Dissertation fundamentale Aspekte des Aufbaus und der Funktion organischer Halbleiter-Bauelemente erforscht. Die Kenntnis, welche maximale Leistungsfähigkeit organische Halbleiter in OFETs prinzipiell erreichen können, ist von elementarem Interesse, sowohl um Transportmodelle zu verfeinern, als auch um Mechanismen und Optimierungsansätze zu finden, mit denen OFETs generell verbessert werden können. Es wird das Ziel verfolgt, sich der maximalen Leistungsfähigkeit eines gegebenen Materialsystems anzunähern. Aufwendige Präparationsstrategien werden für dieses Ziel bewusst in Kauf genommen, auch wenn deshalb vermutlich kein direkter Zugang zu Anwendungen eröffnet wird. An geeigneten Modellsystemen können einzelne wichtige Aspekte, wie die elektronische Struktur an Metallkontakten und im organischen Halbleitervolumen sowie das Wachstum von Schichten und Kristalliten organischer Halbleitermoleküle auf einkristallinen Isolatorsubstraten charakterisiert werden. Die Ergebnisse dieser grundlegenden Experimente fließen in den Aufbau des geplanten OFETs ein. Auf dem Weg zu einem funktionsfähigen Bauelement mit bestmöglichen Eigenschaften wurden wesentliche Fortschritte erzielt. Der erste Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung elektronischer Niveaus an Metallkontakt-Grenzflächen und im Volumen des Modellsystems PTCDA/Ag(111) mit Zwei-Photonen-Photoelektronenspektroskopie (2PPE). Die 2PPE-Spektren der PTCDA/Ag(111)-Grenzfläche sind dominiert durch einen unbesetzten, parallel zur Grenzfläche stark dispersiven Shockley-artigen Grenzflächenzustand (IS), der sich durch die Chemisorption der Moleküle auf der Ag(111)-Oberfläche bildet. Bei der Untersuchung von intramolekular angeregten elektronischen Zuständen von PTCDA mit 2PPE zeigen sich im Vergleich zum Untergrund der Spektren schwache Signale, die jedoch mit einer geeigneten Beschreibung des Untergrunds davon separiert werden können. Besonders interessant ist in diesem Zusammenhang das LUMO, das bei einer Anregung aus dem HOMO eine um 0,4 eV stärkere energetische Absenkung zeigt, als bei der Anregung aus dem HOMO-1. Dies kann durch die unterschiedlichen exzitonischen Zustände, die bei den Anregungen entstehen, erklärt werden. Neben den metallischen Kontakten ist die Grenzfläche zwischen organischem Halbleiter und Gate-Isolator entscheidend für die Leistungsfähigkeit eines OFETs. Am Beispiel des Wachstums von Diindenoperylen-Molekülen (DIP) auf einkristallinen Al2O3-Substraten wurde die morphologische und strukturelle Ausbildung von organischen Halbleiterschichten mit optischer Mikroskopie und Rasterkraftmikroskopie untersucht. Das Wachstum kann als stark anisotrop charakterisiert werden. Die – im Vergleich zu den Bindungsenergien mit dem Substrat – deutlich größeren Bindungsenergien innerhalb der DIP-(001)-Kristallebenen führen bei Substrattemperaturen von 440 K zu einem Wachstum von aufrecht stehenden Molekülen. Es zeigt sich, dass die während des Wachstums herrschende Substrattemperatur einen entscheidenden Einfluss auf die Morphologie der DIP-Schicht hat. So nimmt die Inselgröße von etwa 200 nm bei 350 K auf über 700 nm bei 450 K zu. Außerdem wird ein Ansteigen der Filmrauheit, besonders ab etwa 430 K, beobachtet, das auf den Übergang zu einem anderen Wachstumsmodus bei diesen Temperaturen hinweist. Bei etwas höheren Temperaturen von etwa 460 K wird das Wachstum von DIP-Kristalliten beobachtet. Dabei können – abhängig von den gewählten Präparationsparametern – drei unterschiedliche Kristallit-Typen unterschieden werden: „Mesa-Kristallite“ mit lateralen Abmessungen von mehreren Mikrometern, „Dendritische Kristallite“, die eine verzweigte Struktur aufweisen, die mithilfe der Wachstumskinetik erklärt werden kann und „Schichtkristallite“, deren Morphologie sich durch teilweise starke Krümmungen auszeichnet. Insgesamt zeigt sich, dass die Morphologie kristalliner Strukturen durch eine feine Balance der Präparationsparameter Substrattemperatur, Aufdampfrate, Substratmorphologie und Substratreinheit bestimmt wird, so dass kleine Änderungen dieser Parameter zu deutlich unterschiedlichen Kristallitformen führen. Schließlich wird das Konzept zum Aufbau eines Hochleistungs-OFET vorgestellt und in Details weiterentwickelt. Fortschritte werden in erster Linie bei der Präparation der Gate-Elektrode erzielt, die unter dem Al2O3-Substrat angebracht werden soll. Für die Ausdünnung des Substrats wird eine Bohrtechnik weiterentwickelt und mit einer nasschemischen Ätzmethode kombiniert, so dass Isolatorstärken von unter 10 µm erreicht werden können. Erste wenige OFETs wurden auf der Basis dieses Substrats präpariert, allerdings ohne dass die Bauteile Feldeffekte zeigten. Verbesserungsmöglichkeiten werden diskutiert.
N2  - In this thesis, fundamental aspects of organic semiconductor devices are investigated and incorporated into the construction and optimization of an organic semiconductor field effect transistor (OFET). The knowledge about the maximal performance that organic semiconductors can obtain in OFETs in principle is of particular interest. It enables to refine transport models and to unravel mechanisms and optimization strategies to improve OFETs in general. In order to approach this "high end" of OFETs, elaborate steps to optimize the devices are taken, despite the fact that they might not be feasible in a direct application. Well-characterized model systems are selected to study fundamental properties of devices, in particular the electronic structure at molecule/metal contacts and in the organic semiconductor bulk, as well as the growth of organic semiconductor molecules on single crystalline insulator substrates. The realization of a high performance OFET is pursued by a comprehensive approach in order to optimize particularly the interfaces of the device. Considerable progress is made towards a working OFET with best possible properties. A primary focus of this work, the investigation of the electronic structure at molecule/metal contacts and in the molecular bulk of the model system PTCDA/Ag(111) is performed using two photon photoelectron spectroscopy (2PPE). 2PPE makes it possible to access occupied and unoccupied energy levels and study the dynamics of electronic excitations. The 2PPE spectra of the PTCDA/Ag(111) interface are dominated by an unoccupied and strongly dispersing Shockley-type interface state (IS) that develops due to the chemisorptive interaction of the PTCDA with the metal. Intramolecular excitations of PTCDA with 2PPE show a very small signal compared to the background of the spectra. However, with an appropriate description of the background it is possible to extract information about electronic states. Of special interest is the excitation of the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) that shows different energetic relaxation mechanisms, depending on the origin of excitation. In addition to the importance of the molecule/metal contacts, the performance of OFETs is determined to a large extend by the quality of the organic semiconductor/gate insulator interface where the charge carrier channel is established. For optimal performance, the first layer of molecules should be free of defects and impurities. The morphology and structure of a molecular layer are investigated for diindenoperylene (DIP) molecules, adsorbed on a single crystalline Al2O3 substrate, by atomic force microscopy and optical microscopy. The growth of these molecules is determined by the binding energies, which are strongly anisotropic within the molecular film structure and between molecules and substrate. These anisotropies stimulate the growth of upright standing molecules at substrate temperatures of about 440 K. Dependent on the substrate temperature during growth, the morphology shows grains with lateral dimensions of about 200 nm at 350 K which increase up to 700 nm at 450 K. This change in morphology is accompanied by an increase of roughness, indicating a change of the growth mode, at higher temperatures. At slightly higher temperatures of about 460 K, the growth of crystallites is observed. Depending on the particular preparation parameters, three different types of crystallites develop: mesa crystallites with lateral dimensions up to several microns, dendritic crystallites, characterized by kinetic growth processes, and layered crystallites, that are bent in three dimensions. The morphologies can be explained by the strong anisotropy of the bonding strengths within the DIP crystal structure. To obtain a specific morphology, a subtle balance of the preparation parameters has to be found. Possibilities to utilize the grown crystallites in OFETs are discussed and the mesa type is found to be the most promising. The comprehensive concept for the development of a high performance OFET is introduced and refined in details. Improvements are made especially in the construction of the gate electrode that will be attached beneath the Al2O3 substrate. To thin out the substrate, a drilling technique is improved and combined with wet chemical etching, resulting in gate insulator thicknesses below 10 µm. On the basis of this preparatory work few first OFETs were built. However, no field effect could be measured. As a first step towards the electrical characterization of DIP-OFETs, OFETs based on Silicon-oxide were successfully prepared and characterized. Moreover, present challenges and possible improvements towards a high performance OFET are discussed.
KW  - Organischer Halbleiter
KW  - Feldeffekttransistor
KW  - Diindenoperylen
KW  - Saphir
KW  - Ag(111)
KW  - Zwei-Photonen-Photoelektronenspektroskopie
KW  - Kraftmikroskopie
KW  - Photoelektronenspektroskopie
KW  - Organic Semiconductors
KW  - 2 Photon Photoemission
KW  - Thin Films
KW  - Field Effect Transistor
KW  - Atomic Force Microscopy
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-48684
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TY  - THES
A1  - Müller, Matthias
T1  - Dreidimensionale Konfigurationen von NMR Phased-Array Spulen mit vielen Einzelelementen
T1  - Three-dimensional configurations of NMR phased-arrays with many coil elements
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurden alternative Phased-Array Konfigurationen untersucht, die eine gleichmäßige rÄaumliche Verteilung der Spulensensitivitäten für eine 2D parallel beschleunigte NMR-Bildgebung zur Verfügung stellen sowie eine höhere lokale Dichte probenrauschdominierter Einzelspulen als konventionelle Arraygeometrien ermöglichen. Hierzu wurde zunächst eine neuartige 16-Kanal Doppel-Spiral Arraygeometrie einem Birdcage-ähnlichen Spulenarray mit zwei Ringen aus je acht Spulenelementen gegenübergestellt, welches gewöhnlich in der klinischen Routine für NMR-Untersuchungen am menschlichen Kopf eingesetzt wird. Unter Verwendung analytischer Biot-Savart Berechnungen in der Entwicklungsumgebung Matlab konnten die jeweiligen Kodiereigenschaften sowie das mit den unterschiedlichen Arraykonfigurationen erzielbare intrinsische Signal-Rausch-Verhältnis ermittelt und verglichen werden. Zudem wurde auf gleiche Weise der Einfluss geometrischer Variationen im Aufbau des Doppel-Spiral Volumenarrays auf die intrinsische Isolation zwischen dem inneren, um +pi verdrehten und dem Äußeren, um -pi verdrehten Einfach-Spiral Spulenarray untersucht und Phased-Array Designs mit 32 unabhÄangigen Empfangselementen evaluiert. Im Rahmen einer experimentellen Evaluierung des Doppel-Spiral Arraykonzepts wurden zuerst einzelne Spulenelemente der unterschiedlichen 16-Kanal Volumenarrays verglichen, bevor eine Doppel-Spiral Phased-Array Prototypenspule aufgebaut wurde. Mit dieser konnten sowohl die vorausgesetzte intrinsische Entkopplung der zwei Einzel-Spiral Spulenarrays als auch die in alle drei Raumrichtungen homogene Verteilung der einzelnen Spulensensitivitäten anhand von Experimenten im NMR-System nachgewiesen werden. So war trotz der relativ geringen Anzahl von sechs unabhängigen Einzelkanälen eine um den Faktor 4 beschleunigte NMR-Untersuchung des menschlichen Kopfes mittels einer 3D MP-RAGE-Bildgebungssequenz möglich. Diese hohe Beschleunigung konnte für jede beliebige Orientierung der Kodierrichtungen in gleichermaßen guter Bildqualität erzielt werden und erwies sich somit als unabhängig von der gewünschten Positionierung des dreidimensionalen Untersuchungsvolumens. Das auf diese Weise bestätigte Konzept einer Doppel-Spiral Arraygeometrie stellt allerdings nicht nur eine gleichmäßige Sensitivitätsvariation entlang aller Raumrichtungen zur Verfügung, sondern ermöglicht auch eine höhere Dichte probenrauschdominierter Einzelspulen. In einem zweiten Ansatz wurde das Konzept räumlich kompakter Quadratur-Arrayelemente untersucht, die aus einer geeigneten geometrischen Kombination zweier Einzelspulen entstehen. Die Evaluierung der Leistungsfähigkeit einer derartigen Arrayelementkonfiguration erfolgte in diesem Fall durch den Vergleich einer aus vier Quadratur-Arrayelementen aufgebauten 8-Kanal Phased-Array Spule mit einem konventionellen 4-Kanal Spulenarray, welches sich aus vier waagrechten, in Reihen angeordneten Einzelspulen zusammensetzt. Die Kodiereigenschaften der jeweiligen Phased-Array Spulen sowie das zur Verfügung stehende intrinsische SNR wurden erneut mit Hilfe von Biot-Savart Simulationen in Matlab ermittelt. Diese zeigten, dass durch eine solche neuartige Elementkonfiguration eine Steigerung des erzielbaren Signal-Rausch-Verhältnisses von nahezu 30% erreicht werden kann. Zudem konnte eine deutliche Verbesserung der Kodiereigenschaften in Folge einer, bei gleicher Ausdehnung der Arraystruktur, verdoppelten Anzahl an Einzelspulen beobachtet werden. Eine experimentelle Untersuchung erfolgte anhand einer einfachen aus vier Quadratur-Arrayelementen aufgebauten 8-Kanal Phased-Array Spule. Mit dieser wurden im Kernspintomographen NMR-Untersuchungen an Phantomen durchgeführt, die den SNR-Gewinn sowie die signifikante Verbesserung der Kodiereigenschaften durch die Verwendung von Quadratur-Elementen in guter Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen bestätigen konnten. Eine derartige Steigerung der Leistungsfähigkeit eines gewöhnlichen, flachen Spulenarrays durch das Hinzufügen senkrechter, intrinsisch entkoppelter Spulenelemente zeigt sich auch in den Resultaten coronal und sagittal orientierter NMR-Bildgebungsuntersuchungen der Wirbelsäule eines gesunden Probanden. Hierbei sind selbst bei Beschleunigungen von einem Faktor 4 keine Artefakte aufgrund einer schlecht konditionierten parallelen Bildrekonstruktion zu beobachten.
N2  - In the presented work, alternative phased-array configurations were investigated. They provide smooth spatial distributions of surface coil sensitivities for 2D accelerated parallel NMR imaging as well as over a higher spatial density of sample-noise dominated coil elements than conventional array geometries. To this end, a novel 16-channel double-spiral array design was compared to a birdcage-like array of two rings with 8 elements each, which is commonly used for NMR studies on the human head in clinical routine. The encoding capabilities and the achievable intrinsic signal-to-noise ratio of the different array structures were determined and compared utilizing Biot-Savart calculations in the development environment Matlab. In addition, geometrical variations in the double-spiral array design were investigated regarding their influence on the intrinsic isolation between the inner +pi twisted and the outer -pi twisted single-spiral array coil. Furthermore, phased-array setups with 32 independent receive elements were evaluated. Within the scope of an experimental evaluation of the double-spiral array coil concept single coil elements of different 16-channel volume array setups were compared, before a double-spiral phased-array prototype coil was constructed. With this prototype the essential intrinsic isolation between both single-spiral coil arrays could be verified as well as the coil sensitivity variations could be demonstrated to be smoothly distributed in all three spatial directions by experiments within the NMR system. Thus a factor 4 accelerated NMR imaging of the human head using a 3D MP-RAGE imaging sequence became possible despite the rather small amount of six independent receive channels. This high acceleration could be achieved for any arbitrary orientation of encoding directions with likewise good image quality and hence proved independent of the desired positioning of the three-dimensional imaging volume. The by this means confirmed concept of a double-spiral array geometry provides not only a smooth sensitivity distribution along all spatial directions but also allows a higher local density of sample-noise dominated single coil elements. In a second approach, the concept of spatial more compacted quadrature array elements was introduced, which are formed by an appropriate geometrical combination of two single surface coil elements. The performance of such an array element configuration was evaluated by a comparison of an 8-channel phased-array coil built out of four quadrature array elements with a conventional 4-channel coil array, which consists of four horizontal coil elements in a row. The encoding capabilities of the individual phased-arrays as well as the available intrinsic SNR were again determined by Biot-Savart simulations in Matlab. They showed that with such a novel element configuration an increased SNR of 30 % can be attained. Moreover, a significant improvement of encoding performance became also apparent in consequence of the doubled number of single coil elements while keeping the basic size of the phased-array structure the same. For experimental evaluation a straightforward 8-channel phased-array coil constructed out of four quadrature array elements was used. So NMR experiments were performed in the NMR system, with which the gain in SNR and the considerable improvement of encoding abilities due to the quadrature elements could be confirmed in close correlation to the simulations. The performance of a common planar coil array, which is similarly enhanced through adding perpendicular, intrinsically decoupled coil elements, is also shown by coronal and sagittal NMR imaging results of the spine of a healthy volunteer. In this case, no image artifacts are recognizable due to ill-conditioned parallel imaging reconstructions even for acceleration of a factor of four.
KW  - NMR-Bildgebung
KW  - MR
KW  - Phased
KW  - Array
KW  - Spulen
KW  - MR
KW  - phased
KW  - array
KW  - coil
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-52399
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TY  - THES
A1  - Scherer, Helmut
T1  - Integration von aktiven und passiven optischen Bauelementen auf Basis photonischer Kristalle bei 1,3 und 1,5 μm Wellenlänge
T1  - Integration of active and passive optical elements based on photonic crystals at 1.3 and 1.5 µm wavelength
N2  - Im Rahmen der Arbeit wurden Halbleiterlaser aus photonischen Kristallen (PK) im Wellenlängenbereich von 1,3 und 1,5 µm untersucht. Insbesondere die Integration der Laser mit weiteren Bauelementen für die optische Telekommunikation stand im Vordergrund der Untersuchungen. Neben den versch. Anwendungen unterscheidet sich auch das Grundmaterial. Der kurzwellige Bereich um 1,3 µm wurde auf GaAs-basierten Material bearbeitet, die langwelligen Laser wurden auf InP-Basis bearbeitet. Photonische Kristalle bestehen aus einer periodisch angeordneten Brechungsindexvariation zwischen Luftlöchern in einer Halbleitermatrixstruktur. Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen wird durch das periodische Potential beeinflusst und es können z. B. Spiegel hergestellt werden. Die Reflektivität kann durch Variation der PK-Struktur angepasst werden. Weiterhin können Liniendefekte als effektive Wellenleiter benutzt werden. Es wurden mehrstufige Y-Kombinierer zur Zusammenführung der Emission mehrerer Laser auf der komplett aktiven Laserstruktur hergestellt. Die Definition der Bauteile erfolgte durch optische bzw. Elektronenstrahllithographie, die Strukturierung wurde mittels nass- und trockenchemischer Ätzverfahren sichergestellt. Weiterhin wurden Stegwellenleiter basierte Mikrolaser auf GaInNAs-Material hergestellt. Um abstimmbare Laser mit einem möglichst grossen Abstimmbereich herzustellen, wurden zwei Resonatoren mit unterschiedlicher Länge hergestellt. Zwischen beide Resonatoren wurde ein PK-Spiegel aus 2 bzw. 3 Lochreihen prozessiert. Dies ermöglicht das Abstimmen der Laser von 1307 bis 1340 nm. Im weiteren Verlauf wurden aktive und passive PK-Strukturen auf GaAs-Basis integriert. Hierzu wurden DWELL-Strukturen auf Basis von InGaAs/GaAs Quantenpunkten verwendet. Durch das Ankoppeln der Glasfaser an die Frontfacette des Lasers ist der laterale Abstand der Laserstrukturen durch die Dicke der Glasfaser auf 250 µm festgelegt. Durch die verlustarme Kopplung mehrerer Laser in einen Auskoppelwellenleiter kann die Flächenausnutzung deutlich gesteigert werden. Im Rahmen der Arbeit wurden vier Halbleiterlaser über PK Wellenleiter miteinander verbunden. Die gezeigten Laserstrukturen weisen eine Länge von unter 1,5 mm bei einer Gesamtbreite von 160 µm auf. Dies bedeutet, dass ein komplettes Modul schmaler als eine Glasfaser realisiert werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass alle 4 Laser unabhängig von einander wellenlängenstabil ansteuerbar und abstimmbar sind. Die Seitenmodenunterdrückung im parallelen cw-Betrieb aller vier Laser liegt für den Laser mit der geringsten Seitenmodenunterdrückung immer noch bei mehr als 20 dB und der Leistungsunterschied zwischen den vier Lasern ist unter 2,5 dB. Weiterhin wurden PK-Strukturen bei einer Wellenlänge von 1,5 µm auf einem InP-Basis untersucht. Im Bereich der passiven Charakterisierung wurden W3-Wellenleiter spektral vermessen. Zu Beginn wurde das sog. Ministopband (MSB) des W3-Wellenleiters untersucht, um im Anschluss die Kopplung von zwei Wellenleitern mit Hilfe des Übersprechens im Bereich des MSB´s zu analysieren. Hierzu wurden zwei W3-Wellenleiter parallel zueinander strukturiert. Im Wellenlängenbereich des MSB erfolgt eine Übertragung vom Referenz- in den Monitorkanal. Durch die geometrischen Parameter der PK-Strukturen kann die spektrale Lage und Breite des Filters eingestellt werden. Die Filterung durch Übersprechen vom Referenz- in den Monitorkanal ist mit einer spektralen Breite von mehr als 10 nm noch relativ breitbandig. Daher wurden PK-Resonatoren hergestellt. Hierzu wurden Spiegel in die Wellenleiter prozessiert. Es wurden Filter mit einer spektralen Breite von weniger als 0,5 nm und Güten von über 9000 erreicht. Im Anschluss wurden die aktiven und passiven Bauteile auf einem Chip integriert. Die Laser erreichten eine max. Leistung von 28 mW. Die Integration zusätzlicher Funktionen hinter den Laser bedeutet eine Erhöhung der Komplexität und des Funktionsumfangs, ohne die Emissionsleistung des Lasers zu senken. Zusätzlich vereinfacht sich der Aufbau zur Charakterisierung und zum Betrieb der Laser. In den gezeigten Bauteilen wurde die durch den Laserrückspiegel transmittierte Lichtmode mittels eines Tapers in einen PK Wellenleiter geführt. Seitlich und am Ende des Wellenleiters wurde die erreichte Intensität mittels zweier getrennter Photodioden (PD) gemessen. Damit wird das Konzept der passiv untersuchten Wellenleiter zusammen mit den Lasern integriert. Bei konstanter Leistung und Wellenlänge müssen die beiden Photoströme konstant sein. Durch die sehr kompakte Bauform am Ende des Lasers mit einer zusätzlichen Länge von weniger als 100 µm ist das Bauelement sehr Verlustarm. Ändert sich die Wellenlänge ungewollt, so ändert sich das Verhältnis der Ströme in den PD. Für die Charakterisierung des Wellenlängenmonitors beträgt der Abstimmbereich 30 nm.
N2  - This work presents fabricated and characterized semiconductor lasers with photonic crystal (PhC) structures in the wavelength ranges of 1.3 and 1.5 µm. Especially the integration of lasers with optical components, based on PhC-structures, relevant for future telecommunication applications have been investigated. Lasers at 1.3 µm wavelength have been fabricated on GaAs-substrates. Photonic Crystals consist of a periodic variation of the refractive index between air holes in a semiconductor matrix. The propagation of electromagnetic waves can be affected by the periodic potential and e. g. mirrors for electromagnetic waves can be fabricated. The reflectivity of PhC-structures used as mirrors for lasers can be adapted by varying the geometry. Line defects, designed into the triangular, periodic structure can be further used as effective, low loss waveguides. This work shows the integration of multi-level Y-coupler on all active material. The patterning of the elements is done by optical- or electron-beam-lithography. Etching into the semiconductor is done by using wet- and dry-etching processes. The fabrication and characterization of ridge waveguide based microlasers on GaInNAs-material together with high reflectivity PhC mirrors at the front and rear end of a ridge-waveguide was also investigated. Two resonators with different lengths were defined for the realization of widely tunable semiconductor lasers. PhC-mirrors with 2 or 3 rows of holes are fabricated between both resonators. The reflectivity is between 40 and 60%. The coupling between both resonators ensures effective lasing in cw-mode with a tuning range from 1307 to 1340 nm. The following part describes the integration of active and passive PhC-structures, based on GaAs-material. The laser emission is generated by InGaAs/GaAs-quantum dots embedded in a DWELL-structure. The semiconductor chip is coupled to an optical fiber with a lateral distance of about 250 µm (the fiber diameter). Semiconductor lasers are much smaller than that. The efficient coupling of multiple lasers into one waveguide increases the yield of the semiconductor without additional process complexity. To increase the yield of the semiconductor, four lasers are coupled into one waveguide by use of PhC Y-couplers. The lasers have a length of less than 1.5 mm and a width which is less than 160 µm. This means that one complete laser module with four independently tunable lasers, can be coupled into one optical fiber. It was possible to operate and tune all four lasers independent from each other. The SMSR of the parallel operated lasers in cw-mode is above 20 dB for the laser with the smallest SMSR and the difference in the output power between all four lasers is below 2,5 dB. In addition to the integration of active and passive components based on GaAs semiconductors further components were integrated to one functional module on InP. First, the passive components were characterized. The so called mini-stop-band (msb) of a W3-waveguide was measured. After that, two waveguides were processed parallel and the coupling from one into the other waveguide was analyzed. With use of the coupling effect a wavelength selective filter can simply be realized. The wavelength range and the position can be selected by the geometrical parameters of the PhC structures. The wavelength selectivity is too wide for a practical use in the optical telecommunication with a width of about 10 nm. Further effort was made to increase the spectral resolution of the filter by the investigation of resonators that were fabricated as mirrors in PhC-waveguides. With the approach, the resolution of the characterized resonators is better than 0,5 nm and the Q-factor which was measured being better than 9000. After that the passive components were integrated with active components. The laser structures were completely fabricated wit PhC structures. The maximum output power is up to 28 mW. After the characterization of the laser structure was completed, the described passive components were fabricated behind the rear mirror of the laser. The fabrication of additional components behind the rear mirror of the laser leads to a higher functionality of the module. The laser power which is transmitted through the rear mirror of the laser is collected by a PhC-taper-structure and guided into a PhC-waveguide. Two separate photodiodes (PD) measure the laser intensity. The already characterized passive component is integrated with lasers. A constant power of the laser at a constant wavelengths leads to a constant current relation of both PDs. The coupling relation is only defined by the geometry. The passive component is less than 100 µm long and less than 80 µm wide. Therefore the component has only low losses inside the waveguide. Changes of the laser wavelength change the relation between the two PDs. Lasers with a tuning range of 30 nm were made.
KW  - Halbleiterlaser
KW  - Lithographie <Halbleitertechnologie>
KW  - photonische Kristalle
KW  - Optoelektronik
KW  - Halbleiterlaser
KW  - Elektronenstrahllithografie
KW  - InP
KW  - GaAs
KW  - photonic crystal
KW  - optoelectronics
KW  - semiconductor laser
KW  - electron beam lithography
KW  - InP
KW  - GaAs
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-52150
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hübner, Dominique
T1  - Vibronic and electronic excitations of large organic molecules in gas and condensed phase
T1  - Vibronische und elektronische Anregungen großer organischer Moleküle in der gas und kondensierten Phase
N2  - In the frame of this thesis vibronic and electronic states of organic molecules have been examined. A central question is the interaction within and between the molecules in thin films and at metal-organic interfaces. The main experimental tools were high resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS) and high resolution near edge X-ray absortion fine structure (NEXFAS). The electronic and vibronic structure of thin NTCDA films was examined with low energy electrons as probe, i.e. HREELS. The spectra of the electronic excited molecular orbitals of submonolayer NTCDA on a Ag(111) shows a partially filled orbital. The interaction between this orbital and the total symetric molecular vibrations leads to the typical Fano peak profiles which are seen in the vibrational spectra. The sub-monolayer superstructure can be driven to a phase transition into an disordered phase upon cooling, which is also seen in the electronic and vibronic excitation spectra. Multilayers show flat lying or upright standing molecules as a function of the preparation conditions. The upright standing molecules show an island growth mode, where the islands are well ordered and exhibit a structure in diffraction experiments which can be attributed to the molecular crystal structure. In order to examine the order in more detail various thin films were examined using SPALEED as function of film thickness and preparation parameters. In case of a low temperature substrate no long range order leading to a diffraction pattern was found. In contrast growth on room temperature substrates leads to island growth of films in a structure of the molecular crystal, where two preferred orientations of the islands relative to the substrate were found. In case of thick films the reference to the substrate gets lost and the molecular crystals grow with a defined crystal direction with respect to the surface but with an arbitrary azimuthal orientation leading to circles in the diffraction pattern. NTCDA monolayers on a Ag(111) surface using HREELS as a tool were examined. The electronic excitation spectra reveal a partially filled molecular orbital which is strongly shifted compared to the multilayer. The existence of this state is responsible for the activation of normally forbidden Ag modes in the vibrational spectra. Due to the electron phonon coupling these modes exhibit a Fano like peak shape. Cooling a monolayer leads to a phase transition with strong changes in the spectroscopic features both in electronic and vibronic excitations. In case of the molecule ANQ the intramolecular interaction was examined. In the oxygen NEXAFS spectra a vibronic fine structure is found, which leads to the conclusion that asymmetric potentials are involved. It is an interesting question if the fundamental vibration is has C-H or C=O character. In order to address this question spectra of condensed and gas phase ANQ were compared to an ANQ derivate (ANQ- Br$_2$Cl$_2$), with the conclusion that the coupling is most likely to a C=O mode. High resolution C1s spectra of hydrogenated and fully deuterated naphthalene both in gas and condensed phase have been presented. Depending on the final state orbital distinct differences have been found between gas and condensed phase. A energetic shift of resonances (Res. B, C, D) is interpreted as effect of $\pi$-$\pi$ interaction in the condensed phase. This is especially notable for resonance B which is undoubtly assigned to an excitation into a $\pi^*$ orbital. The results lead to an interpretation, that for organic molecular crystals more than pure van-derWaals interaction has to be taken into account. In summary it is found that the intramolecular interaction in NEXAFS spectra is preferentially coupled to one or a few vibronic progressions. Due to the delocalized electronic system maybe even states which are not spatially near the core excited atom can be involved. It could be shown that a condensation of the molecules in thin films leads to changes within the spectra. The influence the intermolecular interaction can be clearly seen in this finding, where additional hints are found that more than mere van-der-Waals binding has to be taken into account.
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wurden vibronische und elektronische Zustände großer organischer Moleküle untersucht. Eine zentrale Frage ist die Wechselwirkung innerhalb der Moleküle, zwischen Molekülen, in dünnen Filmen und an Metall-Organik Grenzflächen. Als experimentelle Methoden wurden Hochauflösende Elektronenenergie Verlust Spektroskopie (HREELS) und hoch auflösende Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) verwendet. Die elektronische und vibronische Struktur dünner NTCDA Schichten wurde mit HREELS untersucht. Die elektronischen Anregungsspektren von NTCDA Submonolagen auf einer Ag(111) Oberfläche zeigen ein teilgefülltes Molekülorbital, dessen Wechselwirkung mit totalsymmetrischen Molekülschwingungen zu den typischen asymmetrischen Fano Peaks führt. Die geordnete Monolage lässt sich durch Kühlung in eine ungeordnete Phase überführen, die deutliche Änderungen in den elektronischen und vibronischen Spektren zeigt. Multilagen ergeben in Abhängigkeit von den Präparationsbedingungen flach liegende bzw. fast aufrecht stehende Moleküle. Für aufrecht stehende Moleküle zeigen die Schichten Inselwachstum, wobei die Inseln wohlgeordnet sind und in Streuexperimenten eine Struktur zeigen, die dem Molekülkristall entsprechen. Um die geordneten NTCDA Schichten im Detail zu untersuchen, wurden die verschiedene Schichten in Abhängigkeit von Schichtdicke und Präparationsparametern untersucht. Es zeigt sich, dass sich auf einem gekühlten Substrat keine langreichweitige Ordnung ausbildet, die zu einem Beugungsbild führt. Auf einem Raumtemperatursubstrat dagegen zeigt sich, dass die Moleküle ein Inselwachstum in ihrer Molekülkristallstruktur bevorzugen, wobei zwei Orientierungen der Inseln relativ zum Substrat vorkommen. Bei dicken Schichten geht der Bezug zum Substrat verloren und die Kristallite wachsen mit einem definierten Oberflächenvektor, aber in unterschiedlicher azimutaler Orientierung, was zu Ringen im Beugungsbild führt. NTCDA Monolagen auf einer Ag(111) Oberfläche wurden mittels HREELS untersucht. Die elektronische Struktur der Spektren zeigt ein teilgefülltes Orbital, das im Vergleich mit den Multilagenspektren energetisch stark verschoben ist. Die Existenz dieses Zustandes führt dazu, dass Symmetrie-verbotene A$_g$ Moden in den Schwingungsspektren sichtbar werden. Die Kopplung von elektronischen mit vibronischen Zuständen führt zu den typischen Fano Peak Profilen. Beim Abkühlen dieser Monolagen ist ein Phasenübergang zu beobachten, der zu deutlichen Änderungen der elektronischen und vibronischen Spektren führt. Für das Molekül ANQ wurde die intramolekulare Wechselwirkung untersucht. In den Sauerstoff Spektren zeigt sich eine vibronische Feinstruktur, die auf ein asymmetrisches Potential schließen lässt. Interessant ist die Frage, ob es sich dabei um eine Kopplung an C-H oder an C=O Moden handelt. Um diese Frage zu erörtern wurden, Spektren aus der kondensierten und der Gasphase von ANQ und einem ANQ Derivat (ANQ- Br$_2$Cl$_2$) verglichen, wobei sich zeigt, dass es sich wahrscheinlich um eine Ankopplung an C=O Moden handelt. Hochaufgelöste C1s Spektren von normalem und völlig deuteriertem Naphthalin wurden sowohl in der kondensierten als auch in der Gasphase untersucht. In Abhängigkeit vom Endzustand wurden Unterschiede zwischen Gas- und kondensierter Phase beobachtet. Eine energetische Verschiebung der Resonanzen (Res. B, C, D) wird als Resultat der $\pi$-$\pi$ Wechselwirkung in der kondensierten Phase interpretiert. Dies ist besonders bemerkenswert für Resonanz B, da sie unzweifelhaft einer Anregung in ein $\pi^*$ zugeordnet werden kann. Die Resultate führen zu der Interpretation, dass für einige organische Molekülkristalle mehr als reine Van-der-Waals Wechselwirkung berücksichtigt werden muss. Insgesamt zeigt sich, dass die intramolekulare Wechselwirkung in NEXAFS Spektren eine Ankopplung an eine oder wenige vibronische Progressionen bevorzugt. Dabei können die elektronischen Anregungen wegen der delokalisierten Elektronensysteme auch vibronischen Zustände anregen, die nicht an dem angeregten Kohlenstoff Atom lokalisiert sind. Es konnte gezeigt werden, dass die Kondensation der Moleküle in Filmen zu Änderungen im Spektrum führt. Der Einfluss der intermolekularen Wechselwirkung lässt sich daran deutlich erkennen, wobei es deutliche Hinweise gibt, dass mehr als reine van der Waals Bindung zur Erklärung berücksichtigt werden muss.
KW  - Organisches Molekül
KW  - Schwingungszustand
KW  - Elektronische Anregung
KW  - ntcda
KW  - nexafs
KW  - ntcda
KW  - vibronic electronic excitation
KW  - nexafs
KW  - gas phase
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-66043
ER  - 
TY  - THES
A1  - Geisler, Matthias
T1  - Thermische Charakterisierung selbstevakuierender Kryodämmmaterialien durch Ausfrieren von Kohlenstoffdioxid als Füllgas
T1  - Thermal characterisation of self evacuating cryogenic thermalinsulations by deposition of CO2 as filling gas
N2  - Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die thermische Charakterisierung des Einflusses von ausfrierenden Füllgasen auf die Wärmeleitfähigkeit von Wärmedämmstoffen für kryogene Anwendungen am Beispiel von Kohlenstoffdioxid. Im Allgemeinen wird mit dem Wärmedämmmaterial der Wärmeverlust eines Gegenstandes herabgesetzt, der eine Temperaturdifferenz im Vergleich zur Umgebung aufweist. Um die Gesamtwärmeleitfähigkeit eines Dämmstoffes bei kryogenen Temperaturen, d.h. < 200 K, zu minimieren, wird das meist poröse Dämmmaterial in der Regel hinreichend evakuiert, um die Gaswärmeleitfähigkeit zu unterdrücken. Zur Evakuierung gibt es mehrere Möglichkeiten. Meist wird der Gasdruck durch Abpumpen der Füllgase abgesenkt. In dieser Arbeit wird jedoch das Evakuieren durch „Ausfrieren“ des Füllgases bei tiefen Temperaturen (Desublimations-Evakuierung) realisiert und untersucht. Die Problemstellung der vorliegenden Arbeit bestand zum einen in der experimentellen Untersuchung des Wärmetransportes unter Berücksichtigung desublimierter Gase in porösen Dämmmaterialien mit verschiedensten Bulk-Strukturen und zum anderen in deren theoretischen Beschreibung. Aus technischen Gründen wurde mit LN2 als Kryogen und mit CO2 als Füllgas gearbeitet. Die erreichbaren Temperaturen erlauben die Verwendung von CO2 als Füllgas, da hier der Restgasdruck ausreichend niedrig ist, um bei den untersuchten Proben die Gaswärmeleitfähigkeit zu unterdrücken. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Messmethode zur Charakterisierung des Einflusses von desublimierten Füllgasen auf die Festkörperwärmeleitfähigkeit entwickelt, da die genaue Kenntnis der effektiven Wärmeleitfähigkeit für viele technische Anwendungen unerlässlich ist. Hierzu wurde einer bestehenden Platten-Apparatur zur Wärmeleitfähigkeitsbestimmung ein spezieller Probenbehälter implementiert, welcher die Untersuchung verschiedenster Probenmaterialien erlaubt. Dieser Probenbehälter ermöglicht die Injektion eines Gases in einen porösen Prüfkörper, welchem eine Temperatur von 77 K auf der kalten Seite und 293 K auf der warmen Seite aufgeprägt wurde. Dieses weiterentwickelte stationäre Messverfahren erlaubt neben der Bestimmung der Gesamtwärmeleitfähigkeit der gesamten Probe durch die Einbringung zusätzlicher Temperatursensoren in verschieden Positionen des porösen Materials auch die Bestimmung der effektiven Gesamtwärmeleitfähigkeit einzelner Schichten. Um ein breites Spektrum an porösen Materialien in dieser Arbeit abzudecken und die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Theorien zu validieren, wurden verschiedene Materialklassen untersucht. Neben einem Melaminharz-Schaum mit Zellgrößen um 100 µm und einem Polyimid-Vlies mit einem effektiven Faserdurchmesser um 7 µm wurden zwei Pulverproben untersucht, zum einen eine Schüttung aus Vollglaskugeln mit Partikeldurchmessern zwischen 1 und 10 µm und eine Schüttung aus getrübter Kieselsäure mit wesentlich kleineren Primär-Partikeln (<10 nm). Die erarbeiteten theoretischen Modelle zur Berechnung der Festkörperwärmeleitfähigkeit lassen erwarten, dass die Empfindlichkeit der Festkörperwärmeleitfähigkeit gegenüber abgeschiedenen Gasen je nach Materialklasse unterschiedlich groß ausfällt. Als Hauptmerkmal wurde das Vorhandensein von Punktkontakten zwischen den einzelnen Partikeln bzw. Elementen des porösen Materials identifiziert, sowie die spezifische Wechselwirkung (CO2-phil/phob). Die Punktkontakte sind mit ihren großen thermischen Widerständen maßgeblich für die Wärmeleitfähigkeit der Festkörperstruktur verantwortlich. Durch Ausfrieren der Füllgase an diesen Punktkontakten werden die thermischen Kontaktwiderstände stark herabgesetzt, so dass ein Anstieg der Festkörperwärmeleitfähigkeit erfolgt. Dieser fällt abhängig vom jeweiligen Material unterschiedlich hoch aus. Die bestehenden Festkörperwärmeleitfähigkeitsmodelle wurden um den Einfluß von desublimierten Füllgasen erweitert, um diese mit den Wärmeleitfähigkeitsmessungen zu vergleichen und eine Aussage über den Abscheidemechanismus treffen zu können. Das erweiterte Festkörperwärmeleitfähigkeitsmodell für die Vollglaskugel-Schüttung hat z.B. eine sehr starke Abhängigkeit von der geometrischen Verteilung des abgeschiedenen Gases gezeigt. Eine Konzentration der im Mittel abgeschiedenen Füllgase am Kontaktpunkt zwischen zwei Partikeln einer einfachen kubischen Anordnung erhöht die Wärmeleitfähigkeit um mehr als 800%, wohingegen die homogene Abscheidung auf der Oberfläche nur zu einer moderaten Erhöhung um ca. 30% führt. Die experimentellen Versuche konnten die theoretisch erwarteten großen Anstiege der Festkörperwärmeleitfähigkeit für die Schüttungen mit einer großen Punktkontaktdichte bestätigen. Diesen folgt die Polyimid-Faser-Probe mit einer geringen Punktkontaktdichte. Der Melaminharz-Schaum hingegen besitzt keine Punktkontakte und ist CO2-phob. Erwartungsgemäß zeigt dieser eine sehr geringe Abhängigkeit in der Festkörperwärmeleitfähigkeit von der injizierten Gasmenge. Absolute Zahlenwerte der mittleren Gesamtwärmeleitfähigkeiten der untersuchten porösen Materialien lagen für die Randtemperaturen 77 K und 293 K für die Vollglaskugel-Schüttung bei ca. 12∙10^-3 W/(mK), für die getrübte Kieselsäure bei ca. 1.7∙10^-3 W/(mK), für die Polyimid-Fasern bei ca. 0.8∙10^-3 W/(mK) und für den Melaminharz-Schaum bei ca. 4.5∙10^-3 W/(mK). Im Rahmen der injizierten CO2-Menge wurden die mittleren Gesamtwärmeleitfähigkeiten bei der Vollglaskugel-Schüttung und der getrübten Kieselsäure um ca. 15% im Vergleich zum evakuierten Zustand (ohne desublimiertes Füllgas) erhöht. Die Polyimid-Fasern und der Melaminharz-Schaum wiesen eine Erhöhung um ca. 7% bzw. 2% auf. Die relative Vergrößerung der Gesamtwärmeleitfähigkeit im kältesten Viertel der Probe fiel prozentual wesentlich stärker aus: ca. 300% für die getrübte Kieselsäure, ca. 75% für die Vollglaskugel-Schüttung, ca. 40% für die Polyimid-Fasern und ca. 5% für den Melaninharz-Schaum. Die Korrelation der erarbeiteten Festkörperwärmeleitfähigkeitsmodelle mit den gemessenen Wärmeleitfähigkeiten bedurfte jedoch weiterer Eingangsparameter, um eine eindeutige Schlussfolgerung über den Anlagerungsmechanismus (Punktkontaktanlagerung oder homogene Oberflächenanlagerung oder eine Kombination aus beiden) treffen zu können. Die Bestimmung der zwingend benötigten absoluten CO2-Verteilung innerhalb der Probe wurde dazu exemplarisch mittels Neutronen-Radiographie an der Vollglaskugelprobe in einem speziellen Probenbehälter am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) durchgeführt. Die so ermittelte CO2-Verteilung innerhalb der Vollglaskugelprobe war in sehr gutem Einklang mit den durchgeführten Monte-Carlo-Simulationen zum Desublimationsverhalten. Das erarbeitete Simulations-Programm beschreibt den molekularen Stofftransport innerhalb eines porösen Dämmmaterials mit ebenfalls 77 K auf der kalten Seite und 300 K auf der warmen Seite. Der Programm-Algorithmus berücksichtigt dabei die spezifischen Adsorptionsenergien, sowie die temperaturabhängige Frequenz mit der ein adsorbiertes Gasmolekül an der Oberfläche schwingt, welche umgekehrt proportional zur Haftzeit an einem Ort ist. Die Simulation liefert als Ergebnis die durchschnittliche Haftdauer eines Teilchens an einem Ort, welche wiederum proportional zur Verteilung vieler Gasmoleküle, in diesem Fall der injizierten und anschließend desublimierten Gasmenge, ist. Die Ergebnisse zeigen sehr deutlich die Abhängigkeit der durchschnittlichen Haftzeit von der Temperatur und der Adsorptionsenergie. Weitere Informationen zur Wechselwirkung der CO2-Moleküle mit den untersuchten Proben lieferten die Adsorptionsmessungen an den Proben mit CO2 als Adsorptiv bzw. Adsorbens nach den Methoden von Brunauer, Emmett und Teller (BET) und der Methode nach Dubinin-Radushkevich (DR). Durch Kombination bzw. Korrelation der verschiedenen Untersuchungsmethoden und den theoretischen Modellen konnte bestimmt werden, dass das CO2 fast ausschließlich als homogene Schicht auf der Oberfläche der Vollglaskugeln desublimiert, welche eine entsprechend geringe Temperatur aufweisen. Weiterhin stellte sich heraus, dass eine starke Konzentration an der kalten Seite stattfindet, die zur warmen Seite exponentiell abnimmt. Die Auswertung der Korrelation zeigt Tendenzen einer leicht bevorzugten Abscheidung am Kontaktpunkt bei weiteren injizierten CO2-Mengen in die bereits mit CO2 beladene Probe. Die Betrachtung und Diskussion der Messergebnisse und Festkörperwärmeleitfähigkeitsmodelle der Polyimid-Fasern und der getrübten Kieselsäure lässt auf ein ähnliches Verhalten bei Desublimation der Füllgase innerhalb des porösen Probenkörpers schließen. Die Empfindlichkeit des Wärmeleitfähigkeitsanstiegs gegenüber weiteren Mengen an desublimiertem CO2 nahm tendenziell zu. Eine Ausnahme stellte jedoch der Melaminharz-Schaum dar, welcher eine abnehmende Empfindlichkeit des Wärmeleitfähigkeitsanstiegs gegenüber weiteren Mengen an desublimiertem CO2 aufwies. Dafür verantwortlich sind das abstoßende Verhalten von CO2 gegenüber Melaminharz und die Festkörperstruktur des Schaums.
N2  - The subject of this work is the thermal characterization of the influence of condensed filling gases (carbon dioxide) on the thermal conductivity of thermal insulation materials for cryogenic applications. Thermal insulation materials are generally used to decrease the heat loss of objects with different temperatures to their surroundings. In order to minimize the total thermal conductivity of a thermal insulation material for cryogenic applications (temperatures below 200 K), the porous media are evacuated to suppress the gaseous thermal conductivity. There are several methods of achieving this. Usually, the gas pressure is lowered by way of vacuum pumps. In this work, however, evacuation is realized by cryo-condensation (condensing the filling gas at low enough temperatures). The objective of this work was to experimentally investigate the effect of deposited filling gases on the thermal transfer in porous media of varying material classes as well as theoretical characterization. Due to technical reasons, LN2 was used as the cryogen and CO2 as the filling gas. The attainable temperatures permit the use of CO2 as the filling gas because the residual gas pressure is low enough to suppress the gaseous thermal conductivity. A new method to thermally characterize the influence of frozen filling gases on the mean thermal conductivity was developed during the course of this work since being able to precisely determine the effective thermal conductivity is essential for many technical applications. A special sample holder was added to an existing guarded hot plate apparatus for measuring thermal conductivity, enabling diverse sample materials to be investigated. This sample holder allows the exact injection of gas into a porous insulation material kept at 77 K on the cold side and at 293 K on the warm side. This enhanced stationary measuring procedure enables the effective thermal conductivity of individual sample layers to be determined in addition to the total thermal conductivity over the entire sample. This is achieved by inserting additional temperature sensors into varyingly warm regions of the material. Different material classes were examined in order to cover a broad spectrum of thermal insulation materials and to validate the developed theories. Melamine resin foam with cell sizes around 100 µm and polyimide fibre fleece with an effective fibre diameter of around 7 µm were examined. A packed bed of solid glass spheres with particle diameters between 1 and 10 µm as well as a packed bed of IR-opacied silica with substantially smaller primary particles (<10 nm) were also investigated. The modified theoretical approaches for the computation of the thermal conductivity suggest that the sensitivity towards deposited gas depends upon the particular material class. The presence of contact points between individual particles of the insulation material was identified as the decisive factor. Contact points lead to a very large thermal resistance. These contact resistances are lowered by deposited filling gases, and a rise in the thermal conductivity can consequently be observed. The extent of this increase depends on the material used. Existing thermal conductivity models were modified to include the influence of deposited gases in order to compare them with the thermal conductivity measurements and therefore to draw conclusions about the mechanism of deposition. The modified thermal conductivity model for the packed bed of solid glass spheres was, for example, very dependent on the geometrical distribution of the deposited gas. A concentration of the deposited gases within a unit cell at the contact point leads to an over 800% increase of the solid thermal conductivity, whereas homogeneous deposition on the surface only leads to a moderate increase of around 30%. The experimental measurements confirmed the theoretical calculations with a greatly increased effective thermal conductivity for a packed bed with a high number of point contacts followed by the polyimide fiber sample with a smaller number of contact points. The melamine resin foam with a CO2-phobic surface is only slightly dependent on the injected gas as expected. The mean thermal conductivity at 77 K on the cold side and 293 K on the warm side was determined to be 12∙10^-3 W/(mK) for the solid glass spheres, around 1.7∙10^-3 W/(mK) for the opacified silica, around 0.8∙10^-3 W/(mK) for the polyimide fibres and around 4.5∙10^-3 W/(mK) for the melamine resin foam. Within the injected amount of CO2 the mean thermal conductivity of the solid glass spheres and the opacified silica was increased by around 15% compared to the evacuated state without CO2. The polyimide fibres and the melamine resin foam had increases of approx. 7% and 2%, respectively. The relative increase in the total effective thermal conductivity in the coldest quarter of each sample was much greater: around 300% for the opacified silica, around 75% for the solid glass spheres, approx. 40% for the polyimide fibres and around 5% for the melamine resin. Further initial parameters are required to correlate the enhanced thermal conductivity models with the thermal conductivity measurements, if a clear conclusion about the deposition mechanism (pure contact point deposition, homogeneous layer deposition or a combination) is to be drawn. The required CO2 mass distribution within the sample was accomplished by means of neutron radiography and a special sample holder at the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB). The determined CO2 distribution within the sample of the solid glass spheres was in very good agreement with Monte Carlo simulations performed in this work. The developed simulation routine describes the molecular material transfer within a porous insulation material likewise with a large temperature difference (77 K on the cold side and 300 K on the warm side). It considers the specific adsorption energies, as well as the temperature-dependent oscillating frequency of an adsorbed gas molecule at the surface which is reversely proportional to the sticking time at one place. The average duration of a particle at one place is proportional to the distribution of many gas molecules, e.g. the injected amount of gas. The results show the dependence of the average duration time on the temperature and the adsorption energy. Further information for the interaction of the CO2 molecules with the examined samples was supplied by adsorption measurements on the samples with CO2 as the adsorbent with regard to the method of Brunauer, Emmett and Teller (BET) and the method of Dubinin-Radushkevich (DR). By combining the different analytical and research methods it was determined that the CO2 (in the investigated quantities) deposits almost exclusively as a homogeneous layer on the surface of the solid glass spheres, if cold enough. In addition, it was determined that the deposited CO2 is largely concentrated at the cold side of the sample and decreases exponentially to the warm side. The correlation showed tendencies of a slightly favoured point contact deposition for additional amounts of injected CO2 into a sample already loaded with CO2. The discussion of the measurements and thermal conductivity models suggests a similar behaviour for deposited gases within the porous media of the polyimide fibres and the opacified silica. The sensitivity of the effective thermal conductivity towards further amounts of injected CO2 is accelerated. The only exception is represented by the melamine resin which has diminished sensitivity. The reason for this is the repellent behaviour of CO2 towards melamine resin and the structure of the foam.
KW  - Wärmeisolierstoff
KW  - Tieftemperaturverhalten
KW  - Wärmeleitfähigkeit
KW  - Superisolierung
KW  - Ausfrieren
KW  - Tieftemperatur
KW  - Gasadsorption
KW  - thermal conductivity
KW  - superinsulation
KW  - cryo deposition
KW  - cryogenic temperature
KW  - gas adsorption
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-56288
ER  - 
TY  - THES
A1  - Maier, Florian C.
T1  - Spectromicroscopic characterisation of the formation of complex interfaces
T1  - Spektromikroskopische Charakterisierung der Bildung komplexer Grenzflächen
N2  - Within the framework of this thesis the mechanisms of growth and reorganisation of surfaces within the first few layers were investigated that are the basis for the fabrication of high quality thin films and interfaces. Two model systems, PTCDA/Ag(111) and CdSe/ZnSe quantum dots (QD), were chosen to study such processes in detail and to demonstrate the power and improvements of the aberration corrected spectromicroscope SMART [1] simultaneously. The measurements benefit especially from the enhanced transmission of the microscope and also from its improved resolution. SMART, the first double–aberration corrected instrument of its kind [2], provided comprehensive methods (LEEM/PEEM, μ–LEED, μ–XPS) to study in–situ and in real time the surface reorganisation and to determine morphology, local structure and local chemical composition of the resulting thin film. Complementarily, a commercial AFM [3] was used ex–situ. XPEEM and μ–XPS measurements were made possible by attaching SMART to the high flux density beamline of the soft–X–ray source BESSY–II [4]. PTCDA/Ag(111) – Growth and structure of the first two layers Although PTCDA/Ag(111) is one of the most intensely studied model systems for the growth of organic semiconductor thin films, it still offers new insights into a complex growth behaviour. This study enlightens the temperature dependant influence of morphological features as small as monatomic Ag steps on the growth process of the first two layers. At low temperatures, single Ag steps act as diffusion barriers. But interdiffusion was observed already for the 2nd layer whereas domain boundaries in the 1st PTCDA–layer persist for crystallite growth in the 2nd layer. 1st layer islands are more compact and the more dendritic development of the 2nd layer indicates reduced interaction strength between 2nd and 1st layer. These findings were explained by a model consisting of structural and potential barriers. The second part of the PTCDA study reveals a variety of phases that appears only if at least two layers are deposited. Besides the six known rotational domains of the interface system PTCDA/Ag(111) [5], a further manifold of structures was discovered. It does not only show a surprising striped image contrast, but the 2nd layer also grows in an elongated way along these so–called ’ripples’. The latter show a rather large period and were found in a wide temperature range. Additionally the μ-LEED pattern of such a domain shows a new super–superstructure as well. This phase is explained by a structural model that introduces a rotated, more relaxed domain in the 2nd layer that does not exist in the first layer. Its structural parameters are similar to those of the bulk unitcells of PTCDA. The model is confirmed by the observation of two different rotational domains that grow on top of one single ’substrate’ domain in the 1st layer. The orientations of the ripple phases fit as well to the predictions of the model. The growth direction along the ripples corresponds to the short diagonal of the super–superstructure unitcell with diamond–like shape. CdSe/ZnSe – Inverse structuring by sublimation of an α-Te cap With the second model system the formation of CdSe quantum dots (QD) from strained epi-layers was investigated. In this case the structures do not form during deposition, but rather during sublimation of the so–called ‘ignition cap’. For these pilot experiments not only the process of QD formation itself was of interest, but also the portability of the preparation and the prevention of contaminations. It was found that the α-Se is well suited for capping and the last step of the QD preparation, the sublimation of the α-Te cap, needs a sufficiently high rate in rise of temperature. Subsequently the cap, the process of desorption and the final surface with the quantum structures were investigated in detail. The cap was deposited by the MBE-group in Würzburg as an amorphous Te layer but was found to contain a variety of structures. Holes, cracks, and micro–crystallites within an α-Te matrix were identified. Sublimation of the “ignition cap” was observed in real–time. Thus the discovered cap-structures could be correlated with the newly formed features as, e.g., QDs on the bare CdSe surface. Since CdSe/ZnSe QDs prefer to form in the neighbourhood of the Te μ–crystallites, Te was found to play a major role in their formation process. Different explanations as the impact of Te as a surfactant, an enhanced mobility of adatoms or as stressor nuclei are discussed. The spectromicroscopic characterisation of the CdSe surface with QDs revealed the crystallographic directions. An increased Cd signal of the film was found at positions of former holes. Several possibilities as segregation or surface termination are reviewed, that might explain this slight Cd variation. Therewith, an important step to a detailed understanding of the complex reorganisation process in coating systems could be achieved.
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wurden der Schicht– und Grenzflächenpräparation zu Grunde liegende Wachstums– und Reorganisationsmechanismen anhand von zwei Modellsystemen in–situ untersucht. Diese waren auch geeignet, das Potential von SMART [1, 2], dem ersten doppelt aberrationskorrigierten, niederenergetischen Elektronen-Spektromikroskop, in seiner weiter optimierten Version zu demonstrieren. Dabei wurde besonders von der gesteigerten Transmission des Mikroskops, aber auch von der verbesserten Auflösung durch die Aberrationskorrektur profitiert. SMART erlaubt nicht nur Messungen unter UHV–Bedingungen, sondern auch in Echtzeit, wobei zwischen einer Reihe von Methoden (LEEM/PEEM, μ–LEED, μ–XPS) kurzfristig und in–situ gewechselt werden kann. Ergänzt wurden die Messungen mit Hilfe eines kommerziellen AFM [3]. Erst die Installation von SMART an einem Strahlrohr von BESSY–II [4] mit hoher Flussdichte im Bereich der weichen Röntgenstrahlung ermöglichte die XPEEM– und μ–XPS–Messungen. PTCDA/Ag(111) – Wachstum und Struktur der ersten beiden Lagen Das ausgiebig untersuchte Modellsystem PTCDA/Ag(111) sorgt nach wie vor für Überraschungen. So konnte bei den vorgestellten Untersuchungen der Einfluss der Morphologie auf den Wachstumsprozess der ersten beiden Lagen detailliert beobachtet werden. Monoatomare Ag–Stufen fungieren dabei als T–abhängige Diffusionsbarrieren für die PTCDA–Moleküle in der ersten Lage. Hingegen ist die Diffusion von Molekülen der zweiten Lage über Domänengrenzen der ersten Lage hinweg leicht möglich, wenngleich PTCDA–Domänengrenzen der ersten ML auch für Kristallite in der zweiten Lage begrenzend sind. Das unterschiedliche Domänenwachstumsverhalten wird dadurch erklärt, dass die Wechselwirkungsstärke zwischen zweiter und erster Lage gegenüber der zwischen erster Lage und Ag(111) reduziert ist und dass benachbarte Domänen unterschiedliche Struktur aufweisen. Ein zweiter Teilaspekt beleuchtet den Polymorphismus der zweiten Lage PTCDA auf Ag(111). Neuartige Domänen zeigen nicht nur einen ungewöhnlichen, linear variierenden Kontrast, sondern auch anisotropes Wachstum in einem weiten Temperaturbereich, bevorzugt entlang der sogenannten ’Ripple’. Mit μ–LEED wurde die neue kristallographische Über–Überstruktur charakterisiert. Zudem wurden in Dunkelfeld-LEEM zwei unterschiedliche Rotationsdomänen auf einer einzelnen Substratdomäne beobachtet. Die Abmessungen der Einheitszelle der Moleküle in der zweiten Lage ähneln denen der ersten Lage, sind aber gegenüber diesen um unerwartete 75° gedreht. Zur Erklärung dieser Beobachtungen wird ein Strukturmodell vorgeschlagen, das aus zwei unterschiedlichen und daher verspannt gestapelten PTCDA–Domänen besteht. Derartige Domänen wachsen bevorzugt entlang der „Ripples“ und damit entlang der kurzen Diagonalen der vorgeschlagenen Über-Überstruktur auf. Die vorhergesagten Orientierungen der „Ripples“ wurden ebenfalls nachgewiesen. Der linienförmige Kontrast in der zweiten Lage wird durch eine Oszillation des Lagenabstandes erklärt. CdSe/ZnSe – Rückwirkende Strukturbildung durch Sublimation einer α–Te-Deckschicht Weiterhin wurde die Bildung von CdSe-Quantenpunkten (QD) aus verspannten CdSe/ZnSe(001)-Schichten untersucht, die sich bei Sublimation der Te-Schicht reorganisieren. In Pilotexperimenten mit einem Spektromikroskop an CdSe/ZnSe-Heterostrukturen wurden sowohl der Bildungsprozess der Quantenstrukturen selbst detailliert untersucht, als auch die Tauglichkeit des Kontaminationsschutzes sorgfältig verifiziert. Die in-situ Sublimation der mikromorphen Te-Deckschicht, Auslöser für die QD-Bildung, erfordert ausreichend hohe Heizraten. Schrittweise wurden die Deckschicht, der Desorptionsprozess und die resultierende Oberfläche mit den Quantenstrukturen unter die Lupe genommen. Die als α-Te abgeschiedene Kappe weist eine Vielzahl von Strukturen auf, welche als Löcher, Risse und Mikrokristallite in einer α-Te Matrix identifiziert und charakterisiert wurden. Durch die Echtzeitbeobachtung des Desorptionsprozesses konnten die Positionen der Strukturen in der Kappe mit den zurückbleibenden bzw. neu entstehenden Strukturen wie den Quantenpunkten korreliert werden. Aus der relativen Anordnung der Strukturen wird gefolgert, dass die Präsenz von Tellur bei der Bildung der Quantenpunkte eine wichtige Rolle spielt. Verschiedene Erklärungsansätze wie zum Beispiel die Wirkung als „Surfactant“, Erhöhung der Diffusion und spannungsinduzierte Nukleation werden diskutiert. Die LEED-Charakterisierung der QD-besetzten CdSe-Oberfläche erlaubt die Korrelation mit den kristallographischen Richtungen des Substrats. Das XPEEM-signal weist auf Cd–Segregation unter den Löchern hin, lässt aber auch die Deutung als Cd-terminierte Oberflächenrekonstruktion zu. Damit ist ein erster, wichtiger Schritt zur detaillierten Aufklärung des Reorganisationsprozesses des komplexen Schichtsystems bei der Bildung von selbstorganisierten Quantenpunkten gelungen.
KW  - Halbleiterschicht
KW  - Wachstumsprozess
KW  - Spektroskopie
KW  - Mikroskopische Technik
KW  - Perylendianhydrid
KW  - Silber
KW  - Quantenpunkt
KW  - Cadmiumselenid
KW  - Oberflächenanalyse
KW  - Röntgenspektroskopie
KW  - Elektronenmikroskopie
KW  - Semiconductor
KW  - organic
KW  - PTCDA
KW  - Ag(111)
KW  - anorganic
KW  - quantum dot
KW  - CdSe
KW  - ZnSe
KW  - CdTe
KW  - Spectromicroscopy
KW  - LEEM
KW  - XPEEM
KW  - LEED
KW  - XPS
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-65062
ER  - 
TY  - THES
A1  - Erfurth, Felix
T1  - Elektronenspektroskopie an Cd–freien Pufferschichten und deren Grenzflächen in Cu(In,Ga)(S,Se)2 Dünnschichtsolarzellen
N2  - Die in dieser Arbeit untersuchten Solarzellen auf Basis des Verbindungshalbleiters Cu(In,Ga)(S,Se)2 sind zur Zeit das vielversprechendste Materialsystem im Bereich der Dünnschichtfotovoltaik. Um damit möglichst hohe Wirkungsgrade zu erreichen, ist eine CdS–Pufferschicht notwendig, welche aufgrund ihrer Toxizität und des schlecht integrierbaren, nasschemischen Abscheideprozesses durch alternative Pufferschichten ersetzt werden soll. Im Rahmen dieser Arbeit wurden solche Cd–freien Pufferschichten in Chalkopyrit–Dünnschichtsolarzellen untersucht. Dabei wurde insbesondere deren Grenzfläche zum Absorber charakterisiert, da diese eine wesentliche Rolle beim Ladungsträgertransport spielt. Die hier untersuchten (Zn,Mg)O–Schichten stellen ein vielversprechendes Materialsystem für solche Cd–freien Pufferschichten dar. Durch den Einbau von Magnesium können die elektronischen Eigenschaften der eigentlichen ZnO–Schicht an den Absorber angepasst werden, was zu deutlich höheren Wirkungsgraden führt. Als Hauptgrund geht man dabei von einer besseren Leitungsbandanpassung an der Grenzfläche aus, welche allerdings bisher nur grob anhand der Position des Valenzbandmaximums an der Oberfläche und der optischen Volumenbandlücke abgeschätzt werden konnte. In dieser Arbeit wurde diese Grenzfläche daher mittels Photoelektronenspektroskopie und Inverser Photoelektronenspektroskopie untersucht, wobei durch die Kombination beider Methoden die Valenz– und Leitungsbandpositionen direkt bestimmt werden konnten. Es wurde gezeigt, dass der Bandverlauf an der Grenzfläche tatsächlich durch die Änderung des Mg–Gehalts der (Zn,Mg)O–Schichten optimiert werden kann, was eine wichtige Voraussetzung für einen möglichst verlustarmen Ladungstransport ist. Im Fall von reinem ZnO wurde ein „cliff“ (Stufe nach unten) beobachtet, welches mit steigendem Mg–Gehalt abnimmt schließlich ganz verschwindet. Die weitere Erhöhung des Mg–Gehalts führt zur Bildung eines „spike“ (Stufe nach oben). Dass es sich bei einer solchen Stufe nicht um die abrupte Änderung des Bandverlaufs an einer „idealen“, scharf definierten Grenzfläche handelt, haben die vorliegenden Untersuchungen der chemischen Struktur gezeigt. Infolge der dabei beobachteten Durchmischungseffekte bildet sich eine sehr komplexe Grenzfläche mit endlicher Breite aus. So wurde bei der Deposition der (Zn,Mg)O–Schichten die Bildung von In–O–Verbindungen an der Grenzfläche beobachtet. Im Fall von Zn konnte die Diffusion in den Absorber nachgewiesen werden, wodurch es dort zur Bildung von ZnS kommt. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wurde die Grenzfläche zwischen der (Zn,Mg)O–Pufferschicht und CuInS2–Absorbern untersucht. Durch ihre höhere Bandlücke im Vergleich zu den oben untersuchten Cu(In,Ga)(S,Se)2–Absorbern erhofft man sich eine höhere Leerlaufspannung und dadurch bessere Wirkungsgrade. Bisher liegt dieser Leistungsanstieg allerdings unter den zu erwartenden Werten, wofür eine schlechte Anpassung des Leitungsbandverlaufs an die herkömmliche CdS–Pufferschicht verantwortlich gemacht wird. Gerade für dieses Materialsystem scheint sich daher (Zn,Mg)O als Pufferschicht anzubieten, um die Bandanpassung an der Grenzfläche zu optimieren. Bei den in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen an dieser Grenzfläche konnten ebenfalls Durchmischungsprozesse beobachtet werden. Zusätzlich wurde gezeigt, dass auch bei diesem Materialsystem der Bandverlauf an der Grenzfläche durch die Variation des Mg–Gehalts angepasst werden kann. Insgesamt konnte so für beide Absorbertypen ein detailliertes Bild der (Zn,Mg)O/Puffer–Grenzfläche gezeichnet werden. Für hinreichend gute Wirkungsgrade von Zellen mit „trocken“ abgeschiedenen Pufferschichten ist in den meisten Fällen eine zusätzliche, nasschemische Vorbehandlung des Absorbers notwendig, deren Einfluss auf die Absorberoberfläche ebenfalls in dieser Arbeit untersucht wurde. Dabei hat sich gezeigt, dass durch eine solche Behandlung das auf der Oberfläche angereicherte Natrium vollständig entfernt wird, was eine deutliche Steigerung desWirkungsgrades zur Folge hat.Weitere Untersuchungen führten zu dem Ergebnis, dass eine solche Reinigung der Absorberoberfläche auch durch den Prozess der Sputterdeposition selbst hervorgerufen werden kann. So kommt es neben der Ablagerung des Schichtmaterials zu deutlichem Materialabtrag von der Absorberoberfläche, wodurch diese von Adsorbaten und von auf der Oberfläche sitzenden Oxidverbindungen gereinigt wird. Untersuchungen an Absorbern, welche in einem Cd2+–haltigen Bad vorbehandelt wurden, haben gezeigt, dass der dabei abgeschiedene CdS/Cd(OH)2–Film ebenfalls fast vollständig während der Sputterdeposition entfernt wird. Abschließend wurden auf In2S3–basierende Pufferschichten charakterisiert, welche aufgrund ihrer bisher erreichten hohen Wirkungsgrade eine weitere Alternative zu CdS–Puffern darstellen. Hier wurde an der Grenzfläche zum Absorber eine starke Diffusion der Cu–Atome in die Pufferschicht hinein beobachtet, wodurch es zur Bildung von CuInS2–Phasen kommt. Messungen an bei verschiedenen Temperaturen abgeschiedenen Schichten haben gezeigt, dass diese Diffusion durch hohe Temperaturen zusätzlich verstärkt wird. Gleichzeitig konnte auch die Diffusion von Ga–Atomen nachgewiesen werden, welche allerdings wesentlich schwächer ausfällt. Analog zu den vorangegangenen Ergebnissen konnte somit auch bei diesem Materialsystem die Ausbildung einer sehr komplexen Grenzflächenstruktur beobachtet werden.
N2  - In this work investigations were accomplished on Cu(In,Ga)(S,Se)2 thin film solar cells, which represent today’s most promising thin film solar cell technology. To obtain high efficiencies a CdS buffer layer is essential in such solar cells. Because of its toxicity and the unfavorable, intermediate wet chemical deposition process, one would like to replace this layer by alternative buffer layers. In the framework of this thesis different Cd–free buffers were investigated. Thereby especially the interface to the chalkopyrite absorber was characterized because of its major role concerning the charge carrier transport. One promising material for such Cd–free buffer layers is (Zn,Mg)O. By doping the actual ZnO–layer with Magnesium, the electronic properties of the layer can be adjusted to that of the absorber layer. This results in higher efficiencies, which is attributed to a better conduction band alignment at the interface. In the past this alignment was only estimated indirectly by other groups by using the position of the valence band maximum at the surface and the optically derived band gap of the bulk material. In this work this interface was investigated by applying photoelectron spectroscopy and inverse photoelectron spectroscopy. With the combination of both methods the positions of both, the valence and conduction band, could be determined directly. It was shown that the band alignment at the interface can indeed be optimized by changing the Mg–content of the (Zn,Mg)O–layers, which is an important requirement for a low–loss charge transport. In the case of pure ZnO–layers a “cliff” (i.e. a downward step) is observed, which becomes smaller and finally vanishes with increasing Mg–content. A further increase of the Mg–content leads to the formation of a “spike” (i.e. an upward step). The investigations of the chemical structure of this interface showed that this step–like behaviour cannot be understood as an abrupt change of the band alignment. The observed intermixing processes form a complex interface structure of finite width. At this interface the formation of In–O bonds has been observed. Furthermore the diffusion of Zn into the absorber could be proved, which causes the formation of ZnS. Moreover the interface between (Zn,Mg)O–layers and CuInS2–absorbers was investigated. For these wide band gap absorbers, a higher open circuit voltage is expected compared to the above–mentioned Cu(In,Ga)(S,Se)2–absorbers, which should give better efficiencies. Up to now this enhancement of the cell performance is much lower than expected, which is attributed to a bad conduction band alignment at the interface to the conventional CdS–buffer layer. Consequently, for this absorber material (Zn,Mg)O seems to be the perfect buffer layer to tailor the band alignment at the absorber/buffer interface. During these investigations also interface diffusion processes were observed that already have been mentioned above. Additionally it was shown that also for this absorber material the band alignment at the interface can be tailored by changing the Mg–content of the buffer layer. Altogether a detailed picture of the absorber/buffer interface could be drawn for both kinds of absorbers. To obtain reasonable cell efficiencies of solar cells with dry deposited buffer layers a wet chemical treatment of the absorber surface is required in most cases. The influence of this treatment on the absorber surface has been investigated in this work as well. It was shown that such a treatment basically removes the sodium from the absorber surface, which causes an distinct enhancement of the cell efficiency. Further investigations led to the conclusion that such a cleaning of the absorber surface can also be caused by the sputter deposition process itself. Besides the deposition of the layer compound a cleaning of the surface occurs due to the removal of adsorbates and oxides sitting at the surface. Investigations on absorbers that have been treated in a Cd2+– containing wet chemical bath showed, that the thereby deposited CdS/Cd(OH)2–film was almost completely removed from the surface, too. Finally buffer layers based on In2S3 were investigated, which is another promising buffer material for those Cd–free solar cells. At this absorber/buffer interface a strong diffusion of Cu– atoms into the buffer layer was observed, accompanied by the formation of CuInS2. Measurements of layers that were prepared at different deposition temperatures showed, that this diffusion is enforced at high temperatures. At the same time the diffusion of Ga–atoms was observed likewise, although it was much weaker. All in all the formation of a very complex interface structure could be demonstrated also for this kind of buffer layer.
KW  - Dünnschichtsolarzelle
KW  - Elektronenspektroskopie
KW  - Solarzelle
KW  - Röntgen-Photoelektronenspektroskopie
KW  - Zwischenschicht
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-46208
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bisping, Dirk
T1  - Wachstum und Charakterisierung von GaInNAs-basierenden Halbleiterstrukturen für Laseranwendungen in der optischen Telekommunikation
T1  - Growth and characterization of GaInNAs-based semiconductor structures for laser applications in optical communication
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wurden mit Molekularstrahlepitaxie GaInNAs-Strukturen für mögliche Anwendungen in der Telekommunikation als GaAs-basierende Alternative für herkömmliche Laser auf InP-Substrat hergestellt und untersucht. Zunächst wurden durch Optimierung der Substrattemperaturmessung und RF-Plasmaquelle die Voraussetzungen für gutes GaInNAs-Wachstum geschaffen. Thermisches Ausheilen ist essentiell, um eine gute optische Qualität von GaInNAs-Strukturen zu erzielen. Man beobachtet einen signifikanten Einfluss von Ausheildauer und -temperatur. Exzessives Ausheilen bei zu hohen Temperaturen bzw. zu langen Zeiten führt, neben einer ebenso unerwünschten Blauverschiebung der Emission, wiederum zu einer Degradation der optischen Qualität, die sich in einer deutlichen Reduktion der Photolumineszenz(PL)-Intensität äußert. GaInNAs-Quantenfilm(QF)-Laser mit Emission um 1240 nm mit möglicher Anwendung als Pumplaser für Ramanverstärker wurden hergestellt und charakterisiert. Durch eine Optimierung des in-situ-Ausheilens dieser Laserstrukturen konnten Laser mit sehr niedrigen Schwellenstromdichten von deutlich unter 200 A/cm^2 hergestellt werden. Für eine möglichst hohe Ausgangsleistung wurde der Wirkungsgrad der Bauteile durch eine Optimierung der internen Verluste erhöht. Eine Reduktion der internen Verluste konnte durch eine Anpassung des Dotierprofils und die Verwendung von sogenannten Large-Optical-Cavities (LOCs) erreicht werden. Mit Hilfe des LOC-Designs konnten sehr niedrige interne Verluste von nur 0,5 1/cm bei einer internen Quanteneffizienz von nahezu 80 % erreicht werden. Mit optimierten Strukturen wurde stabiler Dauerstrichbetrieb bei Ausgangsleistungen von mehreren Watt über 1000~h ohne sichtbare Degradation demonstriert. Mit auf dem LOC-Design basierenden Lasern konnte schließlich eine sehr hohe Ausgangsleistung von ca. 9 W gezeigt werden. Anschließend wurden Untersuchungen zu Quantenpunkten (QPen) im Materialsystem GaInNAs vorgestellt. Mit steigendem Stickstoffgehalt beobachtet man eine Rotverschiebung der Emission bis auf 1,43 µm, allerdings gleichzeitig eine deutliche Degradation der optischen Qualität. Eine Untersuchung der QP-Morphologie ergibt eine Reduktion der Homogenität der QP-Größenverteilung, die sich im Auftreten zweier unterschiedlich großer QP-Ensembles äußert. Um diese Degradation der QPe zu vermeiden, wurde weiterhin auf den N-Einbau in den QPen verzichtet. Wider Erwarten führt der Verzicht auf N in den QPen nicht zu einer Blauverschiebung der Emission. Dieses Resultat konnte auf die veränderte QP-Morphologie zurückgeführt werden. Durch eine Erhöhung des N-Gehaltes im die QP überwachsenden QF wurde eine weitere deutliche Rotverschiebung der Emission erreicht. So konnte PL-Emission bei Raumtemperatur mit einem Emissionsmaximum bei 1600 nm demonstriert werden. Weiterhin wurden GaInNAs-QF-Strukturen für Laser im Wellenlängenbereich um 1550 nm untersucht. Da das Wachstum hier auf Grund des deutlich höheren, notwendigen N-Gehaltes wesentlich schwieriger wird, erfolgte zunächst eine detaillierte Untersuchung der wesentlichen Wachstumsparameter. Hierbei ist es essentiell, auch das Ausheilverhalten der jeweiligen Strukturen genau zu betrachten. Bei einer Untersuchung des Einflusses der Wachstumstemperatur auf GaInNAs-Teststrukturen wurden signifikante Unterschiede auch bei nur sehr geringen Änderungen in der Substrattemperatur von nur 10 °C festgestellt. Die beobachteten Effekte wurden vor dem Hintergrund des Modells der QP-ähnlichen Emitter diskutiert. Eine Variation des Arsen-Flusses zeigte einen deutlichen Einfluss auf die PL-Emission und vor allem auf das Ausheilverhalten. Das Ausheilverhalten lässt sich durch eine Anpassung des Arsen-Flusses maßgeschneidert anpassen. Während dem Überwachsen der aktiven Schicht mit Mantel- und Kontaktschicht kann es bereits zu einem Überausheilen der Strukturen kommen. Es wurden Laser mit niedrigen Schwellenstromdichten um 1 kA/cm^2 bis zu einer Wellenlänge von 1500 nm hergestellt. Für höhere Wellenlängen steigt die Schwellenstromdichte in den Bereich von 2 bis 3 kA/cm^2. Maximal wurde Laseremission bei über 1600 nm erreicht. Bei der Untersuchung der bei 1600 nm emittierenden Laserdioden wurde eine Verbreiterung der Laseremission zur hochenergetischen Seite auf bis zu 150 nm Bandbreite bei steigendem Betriebsstrom beobachtet. Dieser Effekt kann mit Hilfe des Modells der QP-ähnlichen Emitter verstanden werden. Unter Ausnutzung dieses Effekts wurden auf dem selben epitaktischen Material monomodige Distributed-Feedback(DFB)-Laser über einen Wellenlängenbereich von ca. 1500 nm bis 1600 nm gezeigt. Auf Basis der zuvor vorgestellten langwelligen Laserstrukturen mit niedrigen Schwellenstromdichten wurde erstmals Dauerstrichbetrieb von monomodigen DFB-Lasern im Bereich um 1500 nm und von multimodigen Stegwellenleiter-Lasern über 1500 nm im Materialsystems GaInNAs gezeigt.
N2  - In this work, GaInNAs structures for telecom application based on GaAs in contrast to common lasers based on InP substrates have been grown by molecular beam epitaxy and subsequently characterized. First, optimizations of substrate temperature measurement and RF plasma source were incorporated to allow high quality GaInNAs growth. Thermal annealing is crucial to achieve high optical quality of GaInNAs structures. After a discussion of the microscopic processes during annealing, the influence of annealing parameters was examined. Excessive annealing with too high temperatures or too long times can, besides the typical blue-shift of the emission, also result in a decrease of the optical quality leading to a considerable reduction of the photoluminescence intensity. Laser diodes based on GaInNAs quantum wells emitting around 1240nm have been grown and characterized for a potential application as pump sources for Raman amplifiers. Using an optimization of the in-situ annealing during growth of these structures, laser diodes with very low threshold current densities well below 200 A/cm^2 have been realized. To achieve maximum output powers, the wallplug efficiencies of these devices have been increased by reducing the internal losses. Low internal losses have been achieved using an optimized doping profile or large optical cavities (LOCs). Using a LOC, very low internal losses of only 0.5 1/cm together with a high internal quantum efficiency of almost 80 % have been achieved. Stable performance for 1.000 h without degradation under continuous-wave operation was achieved. Using lasers with a LOC design, high maximum output powers of about 9 W have been demonstrated in continuous-wave operation. Afterwards, studies concerning quantum dots based on the GaInNAs material system have been shown. Increasing N-content leads to a redshift of the emissions wavelength up to 1.43 µm, but accompanied by a significant reduction of the optical quality. An examination of the quantum dot morphology also reveals a reduction in homogeneity of the quantum dot size distribution resulting in the occurence of quantum dot ensembles with two different sizes. To avoid this degradation of the quantum dots, N was not incorporated in the quantum dots, but only in the quantum well on top of the quantum dots. Unlike expectations, this doesn't involve a blueshift of the emission wavelength. This result could be explained by the different quantum dot morphology. By increasing the N-content in the quantum well the emission wavelength at room temperature was redshifted to 1600 nm. In addition, GaInNAs quantum well structures for laser diodes in the wavelength range around 1550 nm have been examined. Due to the more difficult growth resulting from the necessary higher N-content, a detailed examination of the growth parameters was required. Doing that, it is obligatory to take the annealing behaviour into account. A study of the influence of the substrate temperature showed a significant influence of very small differences in the range of 10 °C. Results have been discussed based on the modell of quantum dot like emitters. A variation of the arsenic flux during growth showed strong impact on photoluminescence emission and particularly annealing behaviour. The annealing behaviour can be tailored by changing the arsenic flux. Overgrowth of the quantum well with cladding and contact layers in complete laser stuctures can already result in over-annealing of the quantum well. It was possible to realize laser diodes with low threshold current densities in the range of 1 kA/cm^2 with emission wavelengths up to 1500 nm. For longer wavelengths, threshold current densities increase into the range of 2 to 3 kA/cm^2. The longest laser emission wavelength achieved was slightly above 1600 nm. Detailed examination of laser diodes emitting at 1600 nm revealed a huge broadening of the laser emission to higher energies resulting in an emission bandwidth of up to 150 nm under increasing drive current. This effect is explained using the model of quantum dot like emitters. Making use of this effect, single mode emitting distributed feedback lasers with emission wavelengths covering the whole wavelength range from 1500 to 1600 nm have been demonstrated. Based on the described long-wavelength laser diodes with low threshold current densities, continuous-wave operation of single-mode distributed feedback laser near 1500 nm and multimode ridge-waveguide lasers above 1500 nm have been shown for the first time using the GaInNAs material system.
KW  - Halbleiterlaser
KW  - Drei-Fünf-Halbleiter
KW  - Optoelektronik
KW  - verdünnte Nitride
KW  - Dilute Nitrides
KW  - Galliumarsenid
KW  - Molekularstrahlepitaxie
KW  - Telekommunikation
KW  - Hochleistungslaser
KW  - Dauerstrichbetrieb
KW  - Nitride
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-77538
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TY  - THES
A1  - Böckler, Carolin
T1  - Photon-Exziton Wechselwirkung in Fabry-Pérot-Mikroresonatoren auf Basis von III-V Halbleitern
T1  - Photon-exciton coupling in Fabry-Pérot-microresonators on the basis of III-V semiconductors
N2  - Die enormen Fortschritte im Bereich der Halbleiter-Nanotechnologie haben es in den letzten Jahren erlaubt, quantenoptische Phänomene nicht nur in atomaren Systemen, sondern auch mehr und mehr in Festkörpern zu beobachten. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie im Rahmen der Kavität-Quantenelektrodynamik, kurz cQED. Das große Interesse an diesem sehr aktiven Feld der modernen Quantenoptik erklärt sich über die mögliche Anwendung von cQED-Effekten in neuartigen Lichtquellen und Elementen der Quanteninformationsverarbeitung. Halbleiterstrukturen zeichnen sich in diesem Zusammenhang durch eine potentiell hohe Skalierbarkeit sowie ein kompaktes und effzientes Design aus. Die gewünschte Wechselwirkung kann jedoch nur in qualitativ hochwertigen Halbleiterstrukturen mit quasi nulldimensionalem Licht- und Ladungsträgereinschluss realisiert werden. Daher wird weltweit mit hohem technologischen Aufwand an der Realisierung von Mikroresonatoren mit Quantenpunkten als diskrete Photonenemitter geforscht. Erste Erfolge auf diesem Gebiet haben es erlaubt, Licht-Materie-Wechselwirkung im Regime der schwachen, von dissipativen Verlusten geprägten Kopplung zu verwirklichen. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit dem kohärenten Kopplungsverhalten zwischen einzelnen Quantenpunkt-Exzitonen und dem Vakuumfeld von Mikroresonatoren. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, den experimentellen Nachweis der starken Kopplung in III-V Fabry-Pérot Mikroresonatoren mit Quantenpunkten als aktive Schicht zu erbringen. Darüber hinaus wird aber auch die kohärente Kopplung von zwei Quantenpunkt-Exzitonen über das Vakuumfeld des Resonators experimentell untersucht. Quantenpunkt-Mikroresonatorstrukturen sind aufgrund ihrer hohen Güten und großen Purcell-Faktoren weiterhin prädestiniert für den Einsatz als Mikrolaser mit sehr geringer Laserschwelle. Neben der Herstellung und Charakterisierung von Mikrolasern mit großen Q-Faktoren befasst sich die vorliegende Arbeit mit dem Einfluß einzelner Quantenpunkt-Exzitonen auf das Lasing-Verhalten eines Mikroresonators, mit dem Fernziel einen Einzelquantenpunkt-Laser zu realisieren. Für die Verwirklichung dieser beiden Hauptziele werden Mikroresonatoren höchster Güte benötigt. Dies stellt enorme Anforderungen an die Technologie der Mikroresonatoren. Der vertikale Aufbau der hier vorgestellten GaAs/AlAs Fabry-Pérot Mikroresonatoren mit ihren InGaAs-Quantenpunkten als aktive Schicht wird mittels Molekularstrahlepitaxie realisiert....
N2  - The enormous progress in semiconductor nanotechnology has allowed observing quantumoptical phenomena so far not only in atomic systems but also in solids. Interaction between light and matter in the context of cavity quantum electrodynamics (cQED) have drawn particular attention from many researcher, because possible application of cQED effects in new types of light sources and elements of quantum information processing is a highly compelling research perspective. Semiconductor structures are distinguished in this context by a potentially high scalability, as well as a compact and efficient design. The desired interaction can only be realized in high-quality semiconductor structures with quasi zero-dimensional confinement for light and carrier. Therefore, the realization of microresonators with quantum dots as discrete photon emitters pushed this field of research forward, worldwide. The first breakthrough in this area demonstrated the interaction between light and matter in the regime of weak coupling, dominated by dissipative coupling losses. Considering this background, the present work deals with the coherent coupling behavior between individual quantum dot excitons and the vacuum field of microresonators. The main goal of this work is the experimental proof of strong coupling between III-V Fabry-Pérot microresonators and quantum dots used as an active medium. In addition, the coherent coupling of two quantum dot excitons and the vacuum field of the resonator is experimentally investigated. Quantum dot microresonator structures are furthermore predestined to be used as microlasers with very low laser threshold resulting from their high quality and large Purcell factors. Apart from fabrication and characterization of the microlasers with large Q-factors, the present work studies the influence of an individual quantum dot exciton on the lasing behavior of a microcavity to realize the ultimate goal of a single quantum dot laser. For the realization of both goals microresonators with highest quality factors are required. This puts enormous pressure on the technological development of microresonators. The vertical structure of the presented GaAs/AlAs Fabry-Pérotmicroresonators with InGaAs quantum dots as the active region is realized by molecular beam epitaxy. The lateral structure of the microresonators is transmitted to the probe material by high-resolution electron beam lithography. A dry chemical etching process formed the cylindrical shape of the resonator. The experimental approach to the coupling behavior between quantum dot excitons with the vacuum field of the resonator is mainly studied by high-resolution microphotoluminescence spectroscopy.
KW  - Drei-Fünf-Halbleiter
KW  - Fabry-Pérot-Resonator
KW  - Mikrosystemtechnik
KW  - Starke Kopplung
KW  - Starke Kopplung
KW  - Lasing
KW  - Microresonator
KW  - Mikrokavität
KW  - strong coupling
KW  - lasing
KW  - microresonator
KW  - microcavity
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-53543
ER  - 
TY  - THES
A1  - Parczyk, Marco
T1  - In vivo NMR-methods to study effects of atherosclerosis in mice
T1  - In vivo NMR-Methoden zur Untersuchung von atherosklerotischen Veränderungen an Mäusen
N2  - Background Transgenic mouse models are increasingly used to study the pathophysiology of human cardiovascular diseases. The aortic pulse wave velocity (PWV) is an indirect measure for vascular stiffness and a marker for cardiovascular risk. Results This work presents three MR-methods that allow the determination of the PWV in the descending murine aorta by analyzing blood flow waveforms, arterial distension waveforms, and a method that uses the combination of flow and distension waveforms. Systolic flow pulses were recorded with a temporal resolution of 1 ms applying phase velocity encoding. In a first step, the MR methods were validated by pressure waveform measurements on pulsatile elastic vessel phantoms. In a second step, the MR methods were applied to measure PWVs in a group of five eight-month-old apolipoprotein E deficient (ApoE(-/-)) mice and an age matched group of four C57Bl/6J mice. The ApoE(-/-) group had a higher mean PWV than the C57Bl/6J group. Depending on the measurement technique, the differences were or were not statistically significant. Conclusions The findings of this study demonstrate that high field MRI is applicable to non-invasively determine and distinguish PWVs in the arterial system of healthy and diseased groups of mice.
N2  - Hintergrund Transgene Mausmodelle werden zunehmend für Studien der Pathophysiologie humaner Kardiovaskulärer Erkrankungen herangezogen. Die aortale Pulswellengeschwindigkeit ist ein indirektes Maß für die Gefäßsteifigkeit und ein Messparameter für kardiovaskulares Risiko. Ergebnisse Diese Arbeit präsentiert drei MR-Methoden, welche die Bestimmung der Pulswellengeschwindigkeit in der absteigenden murinen Aorta durch die Analyse von Fluss- und Dehnungswellen und durch eine Kombination beider Techniken ermöglicht. Systoliche Flusspulse wurden durch Phasendifferenzbildgebung mit einer Zeitauflösung von 1 ms aufgenommen. In einem ersten Schritt wurden die MR-Methoden durch druckkathetermessungen an einem pulsatilen elastischen Gefäßphantom validiert. In einem zweiten Schritt wurden die MR-Methoden angewendet, um die Pulswellengeschwindigkeit in einer Gruppe aus fünf acht Monate alten atherosklerotischen und einer gleichalterigen Gruppe aus vier gesunden Mäusen zu messen. Die atherosklerotische Gruppe hatte eine höhere mittlere Pulswellengeschwindigkeit als die gesunden Tiere. Abhängig von der Messmethode waren die Unterschiede signifikannt, oder nicht signifikant. Schlussfolgerung Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen die Möglichkeit der Messung der arteriellen Pulswellengeschwindigkeit an Mäusen mittels Hochfeld-MRI und die Unterscheidbarkeit gesunder und atherosklerotischer Tiergruppen.
KW  - Arteriosklerose
KW  - NMR-Tomographie
KW  - Maus
KW  - Pulswellengeschwindigkeit
KW  - Transitzeitmethode
KW  - QA-Methode
KW  - Pulswelle
KW  - Bauchaorta
KW  - Brustaorta
KW  - atherosclerosis
KW  - pulswave velocity
KW  - mouse
KW  - high field MRI
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-53302
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kehl, Christian
T1  - Magnetic soft mode behaviour investigated via Multi-Spin Flip Raman Spectroscopy on near surface Cd<sub>1-x</sub>Mn<sub>x</sub>Te/Cd<sub>1-y</sub>Mg<sub>y</sub>Te Quantum wells
T1  - Untersuchung des magnetischen Soft-Mode-Verhaltens an nahe an der Oberfläche liegenden Cd<sub>1-x</sub>Mn<sub>x</sub>Te/Cd<sub>1-y</sub>Mg<sub>y</sub>Te Quantentrögen mittels Multi-Spin Flip Raman Spektroskopie
N2  - In the context of the ongoing discussion about a carrier-induced ferromagnetic phase transition in diluted-magnetic II-VI semiconductors (DMS), theoretical studies on coherent dynamics of localized spins coupled with a two-dimensional hole gas (2DHG) in DMS quantum wells (QWs) were done by K.V. KAVOKIN. His key for studying the exchange interaction of the localized spin ensemble (e.g. Mn2+) with the 2DHG is the Larmor frequency of the localized Mn-ion spins and thus their Mn-g-factor. It was shown that the 2DHG affects a time evolution of the (Mn-) spin system in an in-plane magnetic field resulting in the reduction of its Larmor frequency (Mn-g-factor) under the influence of an oscillating effective field of holes. This is called magnetic soft mode (behaviour). The experimental access for demonstrating this Mn-g-factor reduction with increasing hole concentration is the method of Multi-Spin-Flip (SF) Raman scattering combined with the variation of the carrier concentration by photo-excitation with an additional light source (two-colour experiment). The main motivation for this thesis was the experimental confirmation of the theoretically predicted magnetic soft mode and the analysis of its dependence on the hole-concentration and external B-field, as well as its disappearance with increasing sample temperature. For that purpose, CdMnTe/CdMgTe QWs (Mn: 0.6%, 1.0%) positioned close to the sample surface (13−19nm) were investigated in an in-plane applied external magnetic field (up to 4.5T in Voigt-geometry) via a two-colour experiment i.e. using two light sources. This allows the spin excitation of Mn-ions by simultaneously tuning the hole-concentration towards the ferromagnetic phase transition by photo-generated carriers. Thus, one tuneable laser is responsible for resonant below-barrier excitation as a probe for Multi-SF Raman scattering. The other laser excites photo-generated carriers from above barrier (2.41eV) for tuning the hole concentration in the QW. Positioning the QW close to the sample surface causes a surface-induced p-doping of the QW (intrinsic hole concentration in the QW) and enables the active tuning of the hole concentration by photo-generated carriers due to different tunnelling behaviour of electrons and holes from the QW to the surface. The Mn-g-factor was decreased by quasi-continuously increasing the above-barrier illumination (and thus the hole concentration), while the below-barrier excitation (Multi-PR probe) was kept at a constant low power. This results in a Mn-g-factor reduction starting from its atomic value g=2.01 to lowest evaluated Mn-g-factor in this thesis g=1.77. This is a magnetic softening of 12%. Apart from the general magnetic soft mode behaviour at low temperatures, one of the main experimental results in this thesis is the confirmation of the theoretical prediction that the magnetic soft mode behaviour in the external B-field does not only depend on the carrier concentration but also on the B-field strength itself. An additional aspect is the temperature dependence of the magnetic soft mode. The Mn-g-factor decrease is suppressed with increasing temperature almost reaching the atomic Mn-g-factor at 4.2K (g=1.99). This behaviour is due to the T-induced weakening of the transverse 2DHG spin susceptibility. The results of the investigations concerning the cap layer thickness impact on the QW carrier characteristics were investigated in the cap thickness range of 13nm to 19nm. The cap thickness configures on the one hand the intrinsic hole concentration of the QW ("2DHG offset") due to the surface-induced p-doping and sets the "starting point" for the Mn-g-factor reduction. On the other hand the cap thickness determines the probability of electron tunnelling to the surface and thus the efficiency of the hole tuning by light. The latter is the criterion for the range of Mn-g-factor reduction by light. This two dependences were pointed out by the photo-generated hole influence on the QW PL-spectra which results in tuning the exciton-trion ratio. In summary both mechanisms are of relevance for the hole tuning and thus for the magnetic soft-mode behaviour. The mechanism of tunnelling time prevails at small cap layer thicknesses while the surface-induced p-doping plays the major role for larger cap thicknesses (> 25nm). In conclusion, the presented method in this thesis is a sensitive tool to study the dynamics of the spin excitations and the paramagnetic susceptibility in the vicinity of the hole-induced ferromagnetic phase transition.
N2  - Im Zusammenhang mit den aktuellen Diskussionen über einen ladungsträgerinduzierten ferromagnetischen Phasenübergang in verdünnt-magnetischen II-VI-Halbleitern wurden von K.V. KAVOKIN theoretische Untersuchungen zu kohärenter Dynamik von lokalisierten Spins durchgeführt, welche mit dem zweidimensionalen Lochgas im DMS Quantentrog (QT) koppeln. Die Larmorfrequenz der lokalisierten Mn-Ionen Spins und der damit verbundene Mn-g-Faktor sind dabei der experimentelle Zugang, um die Wechselwirkung des lokalisierten Spinensembles mit dem zweidimensionalen Lochgas zu untersuchen. Das 2DHG ruft eine zeitliche Entwicklung des (Mn-) Spinsystems in einem in der Quantentrogebene angelegten äußeren Magnetfeld hervor. Dies hat die Verringerung der Larmorfrequenz und damit des Mn-g-Faktors, beeinflusst durch ein oszillierendes effektives Austauschfeld der Löcher zur Folge. Dies wird magnetisches Softmode-Verhalten genannt. Multi-Spin-Flip(SF)-Raman-Spektroskopie in Verbindung mit einer zusätzlichen Lichtquelle (genannt Zwei-Farben-Experiment) ist das probate Mittel, um diese Reduzierung des Mn-g-Faktors durch die photo-generierte Erhöhung der Lochkonzentration des 2DHG zu demonstrieren. Die experimentelle Bestätigung des theoretisch vorhergesagten magnetischen Softmode-Verhaltens, sowie dessen Abhängigkeit von der Lochkonzentration und dem externen B-Feld, also auch dessen Verschwinden mit steigender Probentemperatur zu analysieren, war die Motivation dieser Arbeit. Aus diesem Grund wurden nahe (13-19nm) an der Probenoberflache liegende CdMnTe/CdMgTe Quantentroge (Mn: 0,6%; 1,0%) in einem parallel zur Quantentrogebene angelegten externen Magnetfeld (mit bis zu 4,5T) mittels Zwei-Farben-Experiment (d.h. mittels zweier Laser-Lichtquellen) untersucht. Dieses ermöglicht die Anregung der Mn-Spins bei gleichzeitiger Erhöhung der Lochkonzentration in Richtung des ferromagnetischen Phasenübergangs durch photo-generierte Ladungsträger. Dabei dient ein durchstimmbarer Laser zur resonanten Anregung im Quantentrog als Lichtquelle für die Multi-SF-Raman-Streuung. Der andere Laser hingegen erzeugt photogenerierte Ladungsträger oberhalb der Quantentrogbarriere (2,41eV), um die Lochkonzentration im Quantentrog einzustellen. Die Reduzierung des Mn-g-Faktors erfolgte durch quasikontinuierliche Erhöhung der Beleuchtung oberhalb der Barriere und folglich auch der Lochkonzentration, während die resonante Anregungsleistung im Quantentrog (d.h. die Multi-Spin-Flip-Sonde) niedrig und konstant gehalten wurde. Hiermit wurde die Verringerung des Mn-g-Faktors nachgewiesen, ausgehend von dessen atomaren Wert g=2,01 hin zu dem, in dieser Arbeit kleinsten ermittelten Wert von g =1,77. Dies entspricht einem magnetischen "softening" von 12%. Neben dem allgemeinen magnetischen Softmode-Verhalten bei niedriger Temperatur, war eines der wichtigsten experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit die Bestätigung der theoretisch vorhergesagten Abhängigkeit des magnetischen Softmode-Verhaltens von der Magnetfeldstärke selbst und nicht nur von der Lochkonzentration im externen Magnetfeld. Die Mn-g-Faktor-Reduzierung wirkt sich bei kleinen B-Feldern stärker aus. Ein weiterer experimenteller Aspekt ist die Temperaturabhängigkeit des magnetischen Softmode-Verhaltens. Mit steigender Temperatur wird die Mn-g-Faktor-Reduzierung unterdrückt und der g-Faktor erreicht bei 4,2K mit g=1,99 fast seinen atomaren Wert. Grund dafür ist die temperaturinduzierte Abschwächung der transversalen 2DHG-Spin-Suszeptibilität. Die Auswirkung der Cap-Schichtdicke auf das Verhalten der Ladungsträgercharakteristik im Quantentrog wurde für Cap-Dicken im Bereich von 13nm bis 19nm untersucht. Die Cap-Dicke legt einerseits, durch die oberflächeninduzierte p-Dotierung, die intrinsische Lochkonzentration des Quantentrogs fest ("2DHG offset") und damit den "Startpunkt" für die Mn-g-Faktor-Reduzierung. Andererseits bestimmt die Cap-Dicke die Tunnelwahrscheinlichkeit der Elektronen zur Oberfläche und damit wiederum die Effizienz der Lochkonzentrationsbeeinflussung durch das eingestrahlte Licht. Letzteres ist das Kriterium dafür, wie groß der Einflussbereich ist, in dem eine Mn-g-Faktor-Reduzierung durch Licht stattfinden kann. Durch den Einfluss der photo-generierten Löcher auf das Quantentrog-PL-Spektrum und der damit verbundenen Beeinflussung des Exziton-Trion-Verhältnisses, konnten die beiden oben genannten Abhängigkeiten herausgearbeitet werden. Zusammenfassend sind beide Mechanismen für die Loch-Abstimmung im QT und damit für das magnetische soft-mode Verhalten von Bedeutung. Während der Mechanismus der Tunnelwahrscheinlichkeit bei schmalen Cap-Dicken überwiegt, spielt die oberflächeninduzierte p-Dotierung des QTs bei größeren Cap-Stärken (>25nm) die Hauptrolle. Fazit: Die, in dieser Arbeit präsentierte Methode ist ein sensibles Werkzeug, um die Dynamik der Spin-Anregungen und der paramagnetischen Suszeptibilität im Hinblick auf den Loch-induzierten ferromagnetischen Übergang zu untersuchen.
KW  - Raman-Spektroskopie
KW  - Quantenwell
KW  - Spin flip
KW  - Semimagnetischer Halbleiter
KW  - g-Faktor
KW  - Paramagnetic resonance
KW  - carrier-induced ferromagnetism
KW  - multi-spin flip
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-56088
ER  - 
TY  - THES
A1  - Häming, Marc
T1  - Electronic Many-Body Effects in organic Thin-Films and Interfaces
T1  - Elektronische Vielteilcheneffekte in dünnen organischen Filmen und an organischen Grenzflächen
N2  - The results of this thesis contribute to the understanding of the electronic properties of organic thin-films and interfaces. It is demonstrated that photoemission spectroscopy is very useful for studying surfaces and interfaces. Additionally it is shown, that many-body effects can be relevant for organic thin films, in particular at interfaces with strong interaction. These effects can have general implications for the material properties. In the first part of this thesis a systematic series of polyacene molecules is investigated with NEXAFS spectroscopy. The comparison of the data with core level and IPES data indicates that core excitations and core excitons need to be understood as many-body excitations. This finding implies for example that a high exciton binding energy is not necessarily associated with strong localization of the excited electron at the hole. As these effects apply also for valence excitons they can be relevant for the separation of charges and for the electron-hole recombination at interfaces. In the next chapter some fundamental effects in organic multilayer films and at organic-metal interfaces are studied with core level and NEXAFS spectroscopy. In this context a series of selected molecules is investigated, namely BTCDA, BTCDI, PTCDA and PTCDI. It is shown that in case of strong interface interaction a density of adsorbate-substrate states is formed which can lead to significant charge transfer satellites in the PES and NEXAFS spectra, similar to what is known for transition metal compounds. Moreover, it is demonstrated that the data can be modeled qualitatively by a basic approach which fuses the single impurity Anderson model with the description of charge transfer satellites by Sawatzky et al. This approach, which is equivalent to that of Gunnarsson and Schönhammer, allows even a relatively simple semi-quantitative analysis of the experimental data. The comparison of different adsorbate layers indicates that these many-body effects are particularly strong in case of partial occupation of the LUMO derived DOS. In the third part an organic multilayer film (SnPc), an organic-metal interface with strong coupling (SnPc/Ag) and an organic-organic interface (SnPc/PTCDA/Ag) are studied exemplarily with resonant Auger spectroscopy. The comparison of the data gives evidence for the contribution of many-body effects to the autoionization spectra. Furthermore, it is found that the electron-vibration coupling and the substrate-adsorbate charge transfer occurs on the time scale of the core hole life time. Moreover, the interaction at the organic-organic interface is weak, comparable to the intermolecular interaction in the multilayer films, despite a considerable rigid level shift for the SnPc layer. Furthermore, weak but significant electron-electron correlation is found for the molecular frontier orbitals, which are important for the substrate-adsorbate charge transfer. Therefore, these strongly coupled adsorbate films are briefly discussed within the context of the Hubbard model in the last part of this thesis. From the data derived in this work it can be estimated that such monolayer films are in the regime of medium correlations. Consequently one can expect for these adsorbate films properties which are related to the extraordinary behavior of strongly correlated materials, for which Mott metal-insulator transitions, sophisticated magnetic properties and superconductivity can be observed. Additionally some results from the investigation of alkyl/Si self-assembled monolayers are briefly discussed in the appendix. It is demonstrated exemplarily for the alkyl chains that the electronic band structure of short, finitely repeating units can be well modeled by a comparatively simple quantum well approach. In principle this approach can also be applied to higher dimensional systems, which makes it very useful for the description of E(k) relations in the regime of repeating units of intermediate length. Furthermore, the photoelectron and NEXAFS spectra indicate strong interaction at the alkyl/Si interface. It was found that the interface states can be modified by moderate x-ray irradiation, which changes the properties for charge transport through the SAM.
N2  - Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zum generellen Verständnis der elektronischen Struktur von dünnen organischen Filmen und Grenzflächen bei. Es wird gezeigt, dass verschiedene Spektroskopieformen der Photoemission sehr hilfreich sind, um Oberflächen und Grenzflächen zu untersuchen. Die Daten in dieser Arbeit weisen darauf hin, dass Vielteilchen Effekte in organischen Dünnschichten eine wichtige Rolle spielen, besonders an Grenzflächen mit starker Wechselwirkung. Diese Effekte können für unterschiedliche Materialeigenschaften von Bedeutung sein. Im ersten Teil dieser Dissertation wird eine systematische Serie von Polyacen Molekülen mit NEXAFS Spektroskopie untersucht. Der Vergleich mit Rumpfniveau und IPES Daten zeigt, dass Rumpfanregungen und Rumpfexzitonen als Vielteilchenanregungen verstanden werden müssen. Dieser Befund impliziert zum Beispiel, dass eine große Exzitonenbindungsenergie nicht automatisch bedeutet, dass das angeregte Elektron nahe am Rumpfloch lokalisiert sein muss. Da diese Effekte auch für Valenzexzitonen auftreten, spielen sie auch bei der Separation von Ladungsträgern oder Rekombination von Elektronen und Löchern eine Rolle. Im nächsten Kapitel werden fundamentale Effekte in organischen Multilagenfilmen und Metall-Organik Grenzflächen mit Rumpfniveau- und NEXAFS Spektroskopie untersucht. Dies wird anhand der systematisch ausgewählten Molekülserie BTCDA, BTCDI, PTCDA, PTCDI durchgeführt. Es wird gezeigt, dass sich im Falle von starker Wechselwirkung an den Grenzflächen eine Substrat-Adsorbat-Zustandsdichte bildet, die zu starken Ladungstransfersatelliten führen kann, ähnlich wie sie für Übergangsmetallkomplexe bekannt sind. Die experimentellen Daten können mit einem Model verstanden werden, das das Single Impurity Anderson Modell mit dem Ansatz von Sawatzky et al. zur Beschreibung von Ladungstransfersatelliten in Übergangsmetallkomplexen vereint. Diese Herangehensweise ist equivalent zum Ansatz von Gunnarsson und Schönhammer für Adsorbate. Sie erlaubt jedoch eine relativ einfache semiquantitative Auswertung der experimentellen Daten. Ein Vergleich der Spektren für verschiedene Adsorbatschichten weist darauf hin, dass Vielteilcheneffekte besonders dann stark sind, wenn die vom LUMO abgeleitete Zustandsdichte teilweise gefüllt ist. Im dritten Teil dieser Arbeit wird exemplarisch jeweils ein organischer Multilagenfilm (SnPc), eine Organik-Metall Grenzfläche mit starker Wechselwirkung (SnPc/Ag) sowie eine Organik-Organik Grenzfläche (SnPc/PTCDA/Ag) mit resonanter Auger Spektroskopie untersucht. Durch den Vergleich der Daten wird der Beitrag der Vielteilcheneffekte zu den Autoionisationsspektren klar. Demnach laufen die Elektron-Vibrations-Kopplung und der Adsorbat-Substrat Ladungstransfer auf der Zeitskala der Rumpflochlebensdauer ab. Außerdem ist die Wechselwirkung an der Organik-Organik Grenzfläche zwischen SnPc und PTCDA sehr schwach, vergleichbar mit der intermolekularen Wechselwirkung in Multilagenschichten trotz einer parallelen Verschiebung aller elektronischen Niveaus in der SnPc Schicht. Desweiteren wird eine relativ schwache aber dennoch signifikante Elektron-Elektron Korrelation in den oberen Valenzorbitalen gefunden, die eine wichtige Rolle für den Ladungstransfer zwischen Adsorbat und Substrat spielt. Daher werden im letzten Teil dieser Dissertation die stark gekoppelten Adsorbat Filme kurz im Kontext des Hubbard Modells diskutiert. Mit den Daten aus dieser Arbeit können solche Monolagenfilme in den Bereich für mittlere Korrelationsstärke eingeordnet werden. Folglich kann man für solche Adsorbatfilme Eigenschaften erwarten, die dem außergewöhnlichen Verhalten stark korrelierter Systeme ähneln, für die z. B. Mott Metall-Isolator Übergänge, interessante magnetische Eigenschaften und Supraleitung beobachtet wurden. Zusätzlich werden im Anhang kurz einige Ergebnisse aus den Untersuchungen an einem Schichtsystem diskutiert, das aus einer Monolage Alkylketten auf dem anorganischen Halbleiter Silizium besteht und auch als self-assembled monolayer (SAM) bekannt ist. An den Alkylketten wird exemplarisch gezeigt, dass die elektronische Bandstruktur von kurzen, sich endlich wiederholenden Einheiten sehr gut durch einen relativ einfachen Quantentrog Ansatz wiedergegeben werden kann. Im Prinzip kann dieser Ansatz auch auf mehrdimensionale Systeme angewendet werden. Daher ist er für die Beschreibung von E(k) Relationen in intermediären Systemen mit endlichen Wiederholeinheiten sehr nützlich. Desweiteren wird in den Photoelektronen- und NEXAFS Spektren eine starke Wechselwirkung an der alkyl/Si Grenzfläche beobachtet. Es wird gezeigt, dass die Grenzflächenzustände durch moderate Röntgenstrahlung modifiziert werden können, was wiederum die Eigenschaften für Ladungstransport durch die Alkylschicht beeinflusst.
KW  - Organischer Stoff
KW  - Dünne Schicht
KW  - Grenzfläche
KW  - Elektronenstruktur
KW  - NEXAFS
KW  - (resonant) photoemission spectroscopy
KW  - organic thin-films
KW  - interfaces
KW  - charge transfer satellites
KW  - polyacene
KW  - PTCDA
KW  - phthalocyanine
KW  - self-assembled monolayer (SAM)
KW  - electron-vibration coupling
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-55494
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schäfer, David
T1  - Entwicklung eines Transmissionsmikroskops für weiche Röntgenstrahlung und die Anwendung an Laborquellen
T1  - Table-Top Transmission Soft X-ray Microscope for laboratory applications
N2  - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Konstruktion eines mobilen Transmissionsmikroskops für weiche Röntgenstrahlung. Dieses ist speziell für den Einsatz an Laborquellen konzipiert und erlaubt durch einen modularen Aufbau auch den Betrieb an Synchrotroneinrichtungen. Das Mikroskop basiert auf einem abbildenden System mit einer Zonenplatte als Objektiv und einer CCD-Kamera als Detektor. Das Anwendungsgebiet erstreckt sich über den spektralen Bereich des Wasserfensters zwischen 2,3 nm und 4,4 nm Wellenlänge bis hin zu extrem ultravioletter Strahlung (Wellenlänge < 20 nm). Dabei können vakuumtaugliche Proben, wie beispielsweise lithographische Testobjekte, Kieselalgen oder chemisch fixierte biologische Zellen untersucht werden. Bei den verwendeten Laborquellen handelt es sich zum einen um ein laserinduziertes Plasma mit einem flüssigen Stickstoffstrahl als Target und zum anderen um eine elektrische Stickstoffgas-Entladungsquelle mit Hohlkathoden-Elektrodengeometrie. Aufgrund der stark unterschiedlichen Quellkonzepte müssen die Quellen für die Entwicklung entsprechender Kondensorkonzepte in Bezug auf ihre spektrale Strahldichte und Brillanz charakterisiert werden. Daher wurden neben Messungen mit einem absolut kalibrierten Spektrographen auch die Quellgrößen und Linienbreiten der wasserstoff- und heliumähnlichen Emissionslinien von Stickstoff bei N-Ly-alpha = 2,48 nm und N-He-alpha = 2,88 nm untersucht. Für eine gute Bildqualität sind neben einer gleichmäßigen, monochromatischen Ausleuchtung die Intensität in der Objektebene und eine Anpassung der numerischen Apertur von Kondensor und abbildender Optik wichtige Parameter. Daher wird an der laserinduzierten Plasmaquelle eine Zonenplatte als Kondensor verwendet. Diese bildet die Quelle 1:1 in die Objektebene ab und wirkt gleichzeitig als Linearmonochromator. Aufgrund der wellenlängenabhängigen Brennweite bietet sie zudem die Möglichkeit Spektromikroskopie zu betreiben. Da die emittierende Quellfläche der Entladungsquelle etwa vier Größenordnungen größer ist als die der laserinduzierten Plasmaquelle, wird an der Entladungsquelle ein mit Gold bedampfter, rotationssymmetrischer Ellipsoid für die Objektbeleuchtung verwendet. Angesichts einer geringeren Plasmatemperatur der Entladungsquelle und der damit verbundenen schwachen Emission der wasserstoffähnlichen Linien kann die He-alpha-Linie mit Hilfe eines Titan-Filters freigestellt werden. Anhand von Testobjekten und biologischen Proben wurde die Leistungsfähigkeit der beiden Konzepte gegenübergestellt. Während die räumliche Auflösung nach dem Rayleigh-Kriterium an der laserinduzierten Plasmaquelle durch Vibrationen im Aufbau auf ca. 70 nm begrenzt ist, konnte an der elektrischen Entladungsquelle eine nahezu beugungsbegrenzte Auflösung von 40 nm nachgewiesen werden. Die Belichtungszeiten bei 1000-facher Vergrößerung liegen bei der laserinduzierten Quelle je nach Objekt zwischen 10 und 30 Minuten. Durch die zehnfach höhere Intensität in der Objektebene ist die Belichtungszeit an der elektrischen Entladungsquelle entsprechend kürzer. Neben diesen Ergebnissen wird ein neues Anwendungsgebiet im Bereich organischer Halbleiter vorgestellt und erste Experimente präsentiert.
N2  - The presented work deals with the development and construction of a portable soft X-ray transmission microscope. It is specially designed for applications at laboratory sources but can also be operated at synchrotron facilities due to its modular layout. The microscope is based on a zone plate imaging system in conjunction with a CCD-camera as detector. The field of application ranges from the water-window spectral region between 2.3 nm and 4.4 nm wavelength to the extreme ultraviolet (wavelength < 20 nm). Vacuum prepared samples like lithographical test objects, diatoms or chemically fixed biological cells can be investigated. Two laboratory sources, a laser induced plasma based on a liquid nitrogen jet target and an electrical discharge source using hollow cathode electrode geometry, have been utilized. Due to the highly different source concepts the sources had to be characterized with regard to the radiant intensity and brilliance in order to determine an adequate condenser system. Therefore, beside measurements with an absolute calibrated spectrograph, the source sizes and line widths of the hydrogen- and helium-like emission lines of nitrogen at N-Ly-alpha = 2,48 nm and N-He-alpha = 2,88 nm have been investigated. For good image quality, parameters like uniform and monochromatic illumination of the object with high intensity and matched numerical aperture of condenser and imaging optics are important parameters. Therefore a zone plate is used as condenser at the laser induced plasma source. The zone plate images the source into the object plane and also acts as a linear monochromator. Due to the wavelength depending focal length of the zone plate the setup features spectral imaging capabilities. Since the emitting source area of the electrical discharge is about four orders of magnitude larger than the source size of the laser induced plasma, a gold-coated axially symmetric ellipsoid is used for object illumination at the discharge source. With respect to the lower plasma temperature of the discharge source and closely related weak emission of hydrogen like emission lines, the He-emission line can be selected by applying a titanium filter. The performance of both concepts is presented by imaging of test objects and biological cells. Whereas the spatial Rayleigh-resolution at the laser induced plasma source is limited to 70 nm due to vibrations, a nearly diffraction limited resolution of 40 nm can be demonstrated at the electrical discharge source. The exposure time at the laser induced plasma source at a magnification of 1000 depends on the object and ranges from 10 to 30 minutes. Due to a 10-times higher intensity in the object plane at the electrical discharge source the exposure time at this source is proportionate shorter. Besides performance tests a new field of application in organic semiconductors is described and first experiments are presented.
KW  - Röntgenmikroskop
KW  - Weiche Röntgenstrahlung
KW  - Transmission <Physik>
KW  - Wasserfenster
KW  - Labormikroskopie
KW  - Transmissionsmikroskopie
KW  - Fresnel-Zonenplatte
KW  - Lasererzeugtes Plasma
KW  - Elektrische Entladung
KW  - Table-top
KW  - soft x-ray
KW  - transmission microscopy
KW  - zone plate
KW  - water window
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-54383
ER  - 
TY  - THES
A1  - Melkus, Gerd
T1  - Entwicklung und Anwendung spektroskopischer 1H-NMR-Methoden zur in vivo Charakterisierung von Xenograft-Tumormodellen bei 17,6 T
T1  - Development and application of spectroscopic 1H-NMR methods for in vivo characterisation of xenograft tumor models at 17.6 T
N2  - Der Hauptteil der vorliegenden Arbeit befasste sich mit der Anwendung und der Entwicklung von neuen Methoden der spektroskopischen NMR-Bildgebung zur nicht-invasiven metabolischen Charakterisierung von Xenograft-Tumormodellen bei 17,6 T. In einem weiteren Abschnitt wurden verschiedene etablierte Methoden der lokalisierten NMR-Spektroskopie und der spektroskopischen Bildgebung genutzt, um den Metabolismus von Hülsenfrüchten (Pisum sativum) am Hochfeld zu untersuchen. Im experimentellen Teil der Arbeit wurde der selektive Mehrquantenfilter Sel-MQC zur Laktatbestimmung in neun verschiedenen Xenograft-Tumormodellen verwendet. Diese Werte wurden mit Ergebnissen aus der Biolumineszenz und mit der Tumorkontrolldosis 50 (TCD50) der Tumorlinien korreliert. Der Sel-MQC-Editierungsfilter stellte sich als äußerst robuste Methode heraus das Laktat im NMR-Spektrum eindeutig von koresonanten Lipiden des Unterhautfettgewebes bzw. von tumoreigenen Lipiden zu trennen. Der Vergleich mit dem durch die Biolumineszenz bestimmten Laktat zeigte durchweg niedrigere Werte in den NMR-Messungen. Der Hauptgrund für diesen Unterschied besteht wahrscheinlich darin, dass mit der NMR-Methode nur das freie Laktat bestimmt werden kann, wohingegen die Biolumineszenz das gesamte Laktat erfasst. Das mit der NMR detektierbare freie Laktat zeigte allerdings eine mäßige Korrelation zur TCD50 (R = 0,46), wodurch dieser Parameter nur als bedingt prognostisch wertvoll für die Strahlentherapie von Tumoren angesehen werden kann. Der Informationsgehalt pro Messzeit und damit die Effizienz der Standard-Sel-MQC-Editierungssequenz konnte durch verschiedene methodische Erweiterungen gesteigert werden. Eine zusätzliche spektral selektive Wasserunterdrückung und ein weiteres Aufnahmefenster ermöglichte neben der Messung des Laktatsignals die Akquisition sämtlicher Resonanzen des 1H-Spektrums mit einer kurzen Echozeit. Somit konnten zusätzlich das Gesamtcholin und die Methyl- und Metylengruppen der Lipide aufgenommen werden. Neben dem Laktat erwies sich das Verhältnis von Lipid-Methylensignal zu Gesamtcholin (L1/tCho) als aussagekräftigster Parameter, um zwei untersuchte Xenograft-Tumormodelle zu unter-scheiden. Die spektroskopische Sel-MQC-Bildgebungssequenz, deren k-Raumantastung in der Regel mit reiner Phasenkodierung durchgeführt wird, konnte durch eine Verwendung eines Lesegradienten beschleunigt werden. Die bei dem Sel-MQC-Filter auftretenden typischen Artefakte im Bereich der Wasserresonanz sind durch zwei Aufnahmen nach dem Dixon-Prinzip und einem anschließenden Additionsverfahren unterdrückbar. Bei einer ausreichenden Aufnahmezeit, die abhängig vom T2* der zu editierenden Resonanz ist, kann mit der Methode eine nahezu ähnlich hohe Sensitivität wie mit dem rein phasenkodierten Experiment erreicht werden. Eine in die Sequenz eingefügte frequenzselektive Refokussierung der Laktat-CH3-Gruppe ermöglichte die Aufnahme mehrerer Laktatechos ohne eine Phasenmodulation durch die J-Kopplung im Signal zu erhalten. Die nach einer Anregung erhaltenen Echos können zur weiteren Beschleunigung der Sequenz oder zur Bestimmung der apparenten transversalen Relaxationszeit des editieren Metaboliten verwendet werden. Das Grundprinzip des Sel-MQC-Filters konnte in einem umgekehrten Verfahren dazu verwendet werden mobile Lipide im Tumor ohne das koresonante Laktatsignal zu detektieren, um damit die Lipiddetektion zu spezifizieren. Da zur Unterdrückung des Metabolitensignals nur die J-Kopplung ausgenutzt wird, müssen weder Relaxationszeiten noch Diffusionskoeffizienten für die Editierung bekannt sein. Die Aufnahme des Lipidsignals wird dabei in einer Präparation erreicht, was die Sequenz robust gegenüber Bewegungsartefakten macht. Die Methode kann beispielsweise mit Diffusionsgradienten kombiniert werden, um den apparenten Diffusionskoeffizienten mobiler Lipide im Tumorgewebe zu bestimmen. Das hohe Magnetfeld von 17,6 T und damit die vergrößerte chemische Verschiebung eigneten sich insbesonders dazu spektroskopische Messungen an Pflanzensystemen durchzuführen. Im letzten Teil der Arbeit wurden unterschiedliche lokalisierte 1D-, 2D-NMR-Methoden und die spektroskopische Bildgebung verwendet, um den Wildtyp und eine Mutantenform des Pisum sativum nicht-invasiv metabolisch zu untersuchen. Die mit der NMR bestimmten Metabolitenkonzentrationen im Endosperm des Pisum sativum korrelierten mit Resultaten aus biochemischen Auswertungen. Weiterhin konnten mit den NMR-Methoden auch Ergebnisse gewonnen werden, die mit biochemischen und histologischen Verfahren nicht erreicht werden können. Die Untersuchung von Pflanzen – oder wie hier von Pflanzensamen – mit spektroskopischen NMR-Methoden bieten zusätzliche und für bestimmte Fragestellungen auch einzigartige Ansätze deren Metabolismus in vivo zu untersuchen.
N2  - The primary topic of this thesis is the development and application of new spectroscopic NMR imaging methods for non-invasive metabolic characterization of xenograft tumor models at 17.6 T. Additional work includes the use of various established methods of localized NMR spectroscopy and spectroscopic imaging to study the metabolism of legumes (Pisum sativum) at high magnetic field strengths. In the experimental part of the work, a selective multiple quantum filter (Sel-MQC) was used to detect and estimate lactate content in nine different xenograft tumor models. The lactate concentration was correlated with results from both the lactate values from quantitative bioluminescence imaging and the tumor control dose 50 (TCD50) of the tumor lines. The Sel-MQC editing filter is an extremely robust method to separate lactate clearly from co-resonant lipids in the NMR spectrum. These lipid signals originate from subcutaneous adipose tissue and intra-tumoral mobile lipids. The comparison of the NMR lactate values with the results from the quantitative bioluminescence showed consistently lower lactate concentration in the NMR measurements. It has been determined that the main reason for this difference is that the NMR method can only detect the free lactate, whereas with the bioluminescence technique the entire (free and bound) lactate can be estimated. The NMR lactate, however, showed only a moderate correlation with the TCD50 (R = 0.46), although it is important to note that this parameters can only be regarded as conditional prognostic value for the radiation therapy of tumors. The information content per unit measurement time and thus the efficiency of standard Sel-MQC editing sequence could be increased by several methodological enhancements. An additional spectral selective water suppression scheme and a second signal acquisition window allowed – beside the detection of lactate – the acquisition of all other 1H NMR resonances with a short echo time. Using this method in vivo for tumor characterization, the lactate resonance, the total choline signal and the methyl and methylene groups of mobile lipids could be detected in the same scan. In addition to the lactate, the ratio of lipid methylene to total choline (L1/tCho ratio) appeared to be a significant parameter when distinguishing between two different types of xenograft tumor models. The classical spectroscopic Sel-MQC pulse sequence, where spatial localization is performed by pure phase encoding, could be accelerated by applying a read gradient. Typical artifacts from the water resonance after Sel-MQC filtering could be suppressed by using the two scan Dixon principle to separate the edited metabolite signal from the residual water resonance. A phase sensitive signal addition of the two acquisitions resulted in artefact-free metabolite images. Further, it was shown that when the acquisition time is adjusted (depending on T2* of the edited resonance), the method employing the read gradient is almost as sensitive as the pure phase encoded experiment. The frequency selective refocusing of the lactate CH3-group allowed the acquisition of multiple lactate echoes without phase-modulation from the J-coupling in the signal. The multiple echoes could be used either to further accelerate the sequence or to estimate the apparent transversal relaxation time of the metabolite. The basic principle of the Sel-MQC filter was also used in a reverse manner to detect mobile lipids in tumor tissue without signal contamination from the co-resonant lactate. This increases the specificity of the method to the mobile lipid in tumor tissue. The principle for the suppression of the co-resonant metabolite signal is based on the J-coupling and therefore neither relaxation times nor diffusion coefficients must be known for successful mobile lipid detection. The lipid editing is achieved in a single preparation, which makes the method robust against motion artefacts. The sequence can be combined with other methods, for example, by adding diffusion gradients to determine the apparent diffusion coefficient of mobile lipids in tumors. The high magnetic field of 17.6 T and the large chemical shift is particularly suited to perform non-invasive and non-destructive spectroscopic measurements in plant systems. In the last part of this thesis, different localized 1D and 2D NMR methods and spectroscopic imaging were used to investigate the metabolism of wild type and mutant forms of Pisum sativum. Metabolite concentration in the endosperm of Pisum sativum estimated with localized NMR spectroscopy was correlated with results from biochemical analysis. Further, with the different non-invasive NMR methods, results were obtained which cannot be achieved by other biochemical or histological analyses. Localized NMR spectroscopic methods provide additional and unique approaches to answer biological and biochemical questions in plant systems or – as in this work – even in plant seeds.
KW  - Tumor
KW  - NMR-Bildgebung
KW  - Spektrale Editierung
KW  - Spektroskopische Bildgebung
KW  - selektiver Mehrquantenfilter
KW  - Sel-MQC
KW  - NMR-Tomographie
KW  - In vivo
KW  - Protonen-NMR-Spektroskopie
KW  - spectral editing
KW  - spectroscopic imaging
KW  - selective multiple quantum filter
KW  - Sel-MQC
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-50605
ER  - 
TY  - THES
A1  - Niederdraenk, Franziska
T1  - Ensemble-Modellierung von Röntgenbeugungsdaten zur Strukturbestimmung von Nanopartikeln
T1  - Ensemble modeling of X-ray diffraction data for the geometric structure determination of nanoparticles
N2  - Ziel dieser Arbeit war es, die geometrische Struktur von Nanopartikeln mittels Pulver-Röntgenbeugung und einem neuen Analyse-Verfahren, der Ensemble-Modellierung (EM), zu ermitteln. Die genaue Aufklärung der kristallinen Struktur ist ein Schlüssel für die Entwicklung exakter theoretischer Modelle und damit für ein besseres Verständnis der Nanoteilchen und deren Eigenschaften. Dabei fußt die Methode auf einem atomaren Modell und berechnet daraus das Beugungsbild der Teilchen. Neben der Auswertung verschiedener Proben sollte ebenso das Potential der Methode überprüft werden - auch im Vergleich zu Standardmethoden wie der Rietveld-Verfeinerung oder einer Einzellinien-Anpassung. Im Gegensatz zur EM beinhalten letztere kein explizites Nanoteilchenmodell. Insgesamt kamen drei typische Nanopartikel-Systeme zum Einsatz: Zunächst wurden fünf ZnO-Proben untersucht, die aufgrund ihrer verschiedenen Liganden deutlich unterschiedliche Partikelgrößen zeigten. Die präsentierten CdS-Nanoteilchen bildeten dagegen mit unter 100 Atomen bereits den Übergang zur Clusterphysik. Das letzte Kapitel stellte schließlich drei Proben mit deutlich komplexeren Core-Shell-Partikeln vor, welche aus einem CdSe-Kern und einer ZnS-Schale bestehen. Dabei konnten mit Hilfe der EM für alle Systeme sehr viel detailliertere Aussagen gemacht werden, als mit den Standardmethoden. Anhand der ersten vorgestellten ZnO-Probe wurde gezeigt, wie man sich bei der Auswertung mit der EM schrittweise dem besten Modell nähert, indem man, startend mit der Partikelform, anschließend weitere komplexe Merkmale implementiert. In dem ZnO-Kapitel wurde ersichtlich, dass die Liganden eine große Rolle spielen - nicht nur für die Größe der Nanopartikel, sondern auch für deren Qualität. Weiterhin wurde festgestellt, dass der Ligand TG beinahe defektfreie Nanoteilchen liefert, während die Stabilisatoren DACH und DMPDA den Einbau von Stapelfehlern begünstigen. In den jeweiligen Vergleichen mit der Rietveld- und Einzellinien-Anpassung fiel auf, dass diese Methoden für kleine Nanoteilchen Resultate liefern, die als deutlich weniger vertrauenswürdig einzustufen sind als jene, die mit der EM erhalten wurden. Der Grund sind die für kleine Teilchen nicht vernachlässigbaren Faktoren wie eine (anisotrope) Form, Oberflächeneffekte, Parameter-Verteilungen etc., welche nur mit der EM berücksichtigt werden können. Noch ungenauer fällt die Analyse per Absorptionsspektroskopie plus theoretischen Methoden aus. Die einzige CdS-Probe wies mit ca. 1.3 nm Durchmesser besonders kleine Nanoteilchen auf. Das zugehörige Beugungsbild zeigte daher nur noch sehr wenige Strukturen, was bereits die Bestimmung der Kristallstruktur erschwerte. Bei nur noch einigen gestapelten Schichten verloren auch die Stapelfehler ihre ursprüngliche Bedeutung. Die maßgebliche Frage bestand somit darin, ob man bei Kristalliten mit unter 100 Atomen noch von einer "normalen" Kristallstruktur sprechen kann, oder ob hier bereits andere Strukturformen vorliegen, z.B. ähnlich den C60-Molekülen. Da die EM solche Hohl-Strukturen ebenfalls simulieren kann, wäre der nächste Schritt, diese für sehr kleine Partikel im Vergleich zu den üblichen Kristallstrukturen zu testen. Bei den drei betrachteten Core-Shell-Proben zeigte die EM abermals ihre große Stärke, indem sie es ermöglichte, die deutlich komplexeren Teilchen realistisch zu simulieren. So war es möglich, die experimentellen Röntgenbeugungs-Daten hervorragend wiederzugeben, was mit keiner der Standardmethoden gelang. Hierfür war es nötig, neben dem CdSe-Kern eine zusätzliche ZnS-Schalenstruktur einzuführen. Zwar konnte bei den Proben mit der EM alleine nicht eindeutig festgestellt werden, welcher ZnS-Schalentypus vorliegt, es wurden jedoch diverse Anhaltspunkte gefunden, die für ein lokal-epitaktisches Wachstum auf dem CdSe-Kern sprechen. Für die Methode der EM selbst lässt sich in der Retrospektive folgendes fest halten: Sie ist den Standard-Techniken wie der Rietveld-Verfeinerung für sehr kleine Nanopartikel deutlich überlegen. Der Grund dafür sind die vielfältig modellierbaren Strukturen, welche Defekte, Oberflächeneffekte, Parameterverteilungen etc. beinhalten können. Ein weiterer großer Pluspunkt der EM gegenüber anderen Methoden besteht in der Möglichkeit, die immer populärer werdenden Core-Shell-Partikel mit vielfältigen Schalenarten zu simulieren, wobei hier auch noch weitere komplexere Optionen für Schalen, z.B. zweierlei Schalen (Core-Shell-Shell-Teilchen), vorstellbar sind. Die Tatsache, dass all diese Merkmale zudem intrinsisch in dem berechneten Beugungsbild enthalten sind, ist von besonderem Gewicht, da dies bedeutet, keine künstlichen Parameter einführen und diese interpretieren zu müssen. Solange eine gewisse Atomanzahl pro Partikel nicht überschritten wird, und v.a. bei defektbehafteten Nanoteilchen, stellt die EM somit die erste Wahl dar.
N2  - The goal of this thesis was to determine the geometric structure of very small nanoparticles by means of powder x-ray diffraction and a novel analysis method called Ensemble Modeling (EM). The knowledge of the crystalline structure is a key feature to develop new theoretical models and thus to better understand the particles' properties. The analysis method itself is based on an atomic model of the particles, which is used to calculate the diffraction pattern via the Debye formula. Apart from the investigation of several nanoparticle samples, the capability of the new technique was tested - especially in comparison to commonly used standard methods like the Rietveld refinement or single-line fits. In contrast to the EM, these methods do not contain a real model of the particles. Altogether, three characteristic nanoparticle systems were used: First of all, five ZnO samples were investigated, which showed different particle sizes (2-15 nm) due to the use of different stabilizing molecules. In contrast, the CdS particles presented here had a diameter of only 1.3 nm, which is already at the transition to cluster physics. The last chapter introduced three samples of the more complex core-shell-nanoparticles, which, in this case, consisted of a CdSe core and a ZnS shell. By applying the EM as analysis method, all particle systems could be investigated in much more detail than with other analysis methods. The first ZnO sample served as an example to explain the stepwise procedure of the EM. After the particle shape was determined, more and more complex features were implemented in order to eventually arrive at the atomic model best reproducing the real particle ensemble. In case of the ZnO samples it was shown that the ligands play a significant role - not only for the size of the particles but also for their structural quality. A further finding due to the analysis with the EM is the high amount of stacking faults for particles stabilized with the ligands DACH or DMPDA, while TG favors a defect-free growth of ZnO nanoparticles. In comparison to the Rietveld method or to a single-line fit, the results for small nanoparticles given by the EM are much more reliable, since none of the other fitting methods can take features like the (anisotropic) particle shape, surface effects or parameter distributions into account. The same holds for a particles' size analysis via UV/Vis absorption spectroscopy together with theoretical models. The EM, in contrast, can account for all of these sophisticated structural features. The only CdS sample in this work contained extremely small particles of about 1.3 nm in diameter. The according diffraction pattern thus shows very broad reflections and little usable structure, thereby hindering a straight-forward analysis. Since the CdS particles consisted of only a few stacked layers, even the concept of stacking faults looses its meaning. The question arises, whether the term "crystal structure" is still appropriate for a particle with less than 100 Atoms. For instance, it would be possible that the particles form hollow structures similar to the C60 molecules. Since these structures can be simulated with the EM as well, this could be one next step to further analyse the XRD data of the CdS sample. The last chapter of this thesis introduced three samples of core-shell-nanoparticles, each with a CdSe core and a ZnS shell. Here again, the power of the EM method was demonstrated by forming a realistic model of these much complexer particles. The calculated diffraction patterns reproduced the experimental data very well - in contrast to all other analysis methods. The success of the EM was due to the implementation of an additional ZnS structure in the simulated model. Even if the shell type of this additional structure could not clearly be identified by XRD and our analysis, there is some strong evidence for a local epitaxy of the ZnS on the CdSe core. In conclusion, it was demonstrated that the EM method is far superior to any of the standard techniques for the diffraction pattern analysis of small nanoparticles. The particular strengths of the EM are the manifold structures, which can be simulated, together with defects, surface effects, parameter distributions etc. A further advantage over the other analysis methods is the possibility to form realistic core-shell-particles with a diversity of shell types. Even more complex shells are conceivable, e.g. a mixed shell or the double shell of the core-shell-shell-particles. All these features are intrinsically included in the models and thus in the diffraction patterns, i.e., no artificial parameters must be introduced and later be interpreted. As long as a certain amount of atoms per particle is not exceeded, and, especially for particles containing many defects, the EM introduced here should thus be preferred.
KW  - Nanopartikel
KW  - Röntgenstrukturanalyse
KW  - Ensemble-Modellierung
KW  - Core-shell Nanoteilchen
KW  - CdSe/ZnS Nanoteilchen
KW  - Strukturbestimmung
KW  - Röntgenbeugung
KW  - Zinkoxid
KW  - Cadmiumselenid
KW  - XRD
KW  - structure determination
KW  - nanoparticles
KW  - ensemble modeling
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-52218
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fuchs, Oliver
T1  - Soft x-ray spectroscopy of organic molecules and liquids
T1  - Spektroskopie mit weicher Röntgenstrahlung an organischen Molekülen und Flüssigkeiten
N2  - In this thesis, soft x-ray absorption spectroscopy (XAS) and resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) studies of the electronic structure of selected organic molecules and liquids were carried out. The first part focuses on the used experimental techniques and the development of the instrumentation necessary for these studies, namely a soft x-ray spectrometer, and a temperature-controlled flow-through liquid cell. The former was optimized by a special analytical ray tracing method developed exclusively for this purpose. Due to its high transmission, the spectrometer facilitates a novel experimental approach of recording comprehensive 'RIXS maps', which are 2-dimensional plots of x-ray scattering intensities as a function of both, excitation and emission photon energy. The liquid cell extends these possibilities to the study of liquids, especially the interaction of molecules in liquids and their chemical reactions under well-controlled conditions. Organic molecules have attracted considerable attention in the last decade. The intense research activities related to these materials have two main motivations: on the one hand, organic molecules have a technological application as building blocks of organic semiconductors, while, on the other hand, organic molecules are the functional elements in biological systems. In order to cost-effectively produce optimized organic electronic devices, a fundamental knowledge of the electronic properties of the organic molecules interface is necessary. Therefore, many studies of the electronic structure of potential candidates for organic electronics exist. Two of these candidates, namely C60 and well-ordered multilayers PTCDA on a Ag(111) surface are investigated in this thesis. For the study of C60 molecules, a comprehensive 'RIXS map' was recorded and analyzed. The RIXS map taken in only 25 minutes allows a quantitative analysis of energy losses, yielding for example the HOMO-LUMO distance. It also identifies a core-excitonic state and facilitates a quantitative comparison of its binding energy with that of valence excitons in C60. Furthermore, decay channel-selective partial fluorescence yield XAS spectra can be extracted from the RIXS map, yielding information on the population of the core-excitonic state as a function of excitation energy. As a second model system of organic molecules relevant for organic electronics, PTCDA was chosen. The complex electronic structure of the occupied states of a highly ordered, flat-lying PTCDA multilayer on a Ag(111) surface was investigated by symmetry-resolved resonant x-ray emission spectroscopy. The rapidly occurring beam damage effects were characterized on the basis of irradiation-time dependent series of C and O x-ray emission spectra. Upon varying the excitation energy and emission geometry, atom- and symmetry-specific carbon K emission spectra with negligible beam damage effects were obtained that allow to distinguish between electronic states with sigma and pi symmetry. A density functional theory calculation of the PTCDA molecule reproduces the energy positions of the most prominent emission features remarkably well. In addition, the energy positions of the sigma and pi emissions agree well with the calculated energies of the respective orbitals. In order to shed light on the second aspect of organic molecules, namely their role in biological systems, first a detailed investigation of the electronic structure and proton dynamics of liquid water as the medium of most chemical and biochemical reactions was carried out. Therefore, a comprehensive oxygen K RIXS map of liquid water was recorded and analyzed in great detail. A temperature-dependent comparison with XAS and RIXS data of D2O, NaOH, and NaOD leads to the conclusion, that ultra-fast dissociation takes place in liquid water on the timescale of the oxygen 1s core hole lifetime, resulting in a characteristic spectral contribution in the RIXS spectra. The dissociation is promoted by intact hydrogen bonds with neighboring molecules. In consequence, the rate of dissociation directly depends on the initial hydrogen bond configuration. In the next step towards biologically relevant systems, the nitrogen K edges of the amino acids glycine and histidine were investigated in powderous form as well as in their native environment, namely in aqueous solution. X-ray absorption and emission spectra of the aqueous solutions were analyzed at pH-values of 6 and for glycine also at pH 12 and compared to the spectra of powders. A pH-value of 12 causes deprotonation of the amino group, leading to significant changes in the nitrogen spectra as compared to pH 6. The results from these four examples demonstrate that a wealth of novel information can be obtained by using the new experimental tools developed in this thesis, namely a highly sensitive x-ray spectrometer and a flow-through liquid cell.
N2  - Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der elektronischen Struktur ausgewählter organischer Moleküle und Flüssigkeiten mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) und resonanter inelastischer Röntgenstreuung (RIXS). Der erste Teil beschreibt die verwendeten spektroskopischen Methoden und die Entwicklung der dafür notwendigen Geräte, insbesondere eines Röntgenspektrometers und einer temperierten Durchflussnasszelle. Ersteres wurde mittels einer eigens dafür entwickelten analytischen Raytracing-Methode optimiert. Aufgrund seiner hohen Transmission ermöglicht das Spektrometer einen für weiche Röntgenstrahlung neuartigen experimentellen Ansatz, nämlich die Aufnahme einer umfassenden RIXS-Karte. Das ist eine 2-dimensionale Auftragung der Röntgenstreuintensität als Funktion der Anregungs- und der Emissionsphotonenenergie. Die Nasszelle erweitert diese experimentellen Möglichkeiten auf die Untersuchung von Flüssigkeiten. Organische Moleküle haben im letzten Jahrzehnt erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die intensiven Forschungsaktivitäten an diesen Materialen haben zwei Hauptmotivationen: einerseits haben organische Moleküle technologische Anwendung als organische Halbleiter, und andererseits sind organische Moleküle die funktionalen Einheiten in biologischen Systemen. Um optimierte organische Halbleiterbauelemente kostengünstig produzieren zu können, muss man über die elektronischen Eigenschaften der organischen Moleküle genauestens Bescheid wissen. Deshalb wurde bereits eine Vielzahl an Untersuchungen potentieller Kandidaten für organische Halbleiterbauelemente durchgeführt. Zwei dieser Kandidaten, nämlich C60 und wohlgeordnete Multilagen von PTCDA auf einer Ag(111)-Oberfläche werden in dieser Arbeit untersucht. Für die Untersuchung der C60 Moleküle wurde eine RIXS-Karte aufgenommen und analysiert, woraus sich direkt die HOMO-LUMO Distanz ergab. Außerdem lässt sich die Existenz eines rumpfexzitonischen Zustands beobachten, dessen Bindungsenergie man quantitativ mit der Valenzexzitonenbindungsenergie in C60 vergleichen kann. Überdies können aus der RIXS-Karte Zerfallskanal-selektive Fluoreszenzausbeute XAS Spektren extrahiert werden, die zum Beispiel Auskunft über die Besetzung des rumpfexzitonischen Zustands als Funktion der Anregungsenergie geben. Als zweites Modellsystem wurde PTCDA ausgewählt, das mittels symmetrieaufgelöster resonanter Röntgenemissionsspektroskopie untersucht wurde. Die dabei rasch einsetzenden Strahlenschäden wurden anhand von Bestrahlungsdauer-abhängigen Serien von Kohlenstoff- und Sauerstoffspektren charakterisiert. Durch Variation der Anregungsenergie und Emissionsgeometrie wurden atom- und symmetriespezifische Kohlenstoffspektren mit vernachlässigbarem Strahlenschaden gewonnen. Diese erlauben die Unterscheidung von elektronischen Zuständen mit sigma- und pi-Symmetrie. Eine Dichtefunktionaltheorie-Rechnung stimmt bemerkenswert gut mit den Energiepositionen der spektralen Signaturen überein. Darüberhinaus passen die spektralen sigma- und pi-Anteile zu den Symmetrien der berechneten Orbitale an den jeweiligen Energiepositionen. Um den zweiten Aspekt organischer Moleküle, nämlich ihre Rolle in biologischen Systemen zu beleuchten, war es zunächst notwendig, die elektronische Struktur und Protonendynamik von flüssigem Wasser zu studieren, das bekanntermaßen das Medium vieler chemischer und biochemischer Reaktionen darstellt. Zu diesem Zweck wurde eine vollständige RIXS-Karte der Sauerstoff K Kante aufgenommen und im Detail analysiert. Ein temperaturabhängiger Vergleich mit XAS and RIXS Daten von D2O, NaOH und NaOD erlaubt die Schlussfolgerung, dass ultra-schnelle Dissoziation auf der Zeitskala der Sauerstoff 1s Rumpflochlebensdauer in flüssigem Wasser stattfindet, die zu einer charakteristischen spektralen Signatur in den RIXS Spektren führt. Diese Dissoziation wird gefördert durch intakte Wasserstoffbrückenbindungen mit benachbarten Wassermolekülen. Damit hängt die Dissoziationsrate direkt von der Ausgangskonfiguration der Wasserstoffbrückenbindungen ab. Im nächsten Schritt in Richtung biologisch relevanter Systeme wurde die Stickstoffkante der Aminosäuren Glyzin und Histidin sowohl in Pulverform als auch in wässriger Lösung untersucht. Röntgenabsorptions- und -emissionsspektren der wässrigen Lösungen wurden bei pH-Werten von 6 und im Falle des Glyzins auch bei pH 12 analysiert und mit den Pulverspektren verglichen. Ein pH-Wert von 12 führt zur Deprotonierung der Aminogruppe, was zu signifikanten Änderungen in der spektralen Signatur der Stickstoffspektren führt. Die Ergebnisse dieser vier Beispiele demonstrieren, dass eine Vielfalt neuartiger Information gewonnen werden kann durch die Anwendung der neuen experimentellen Werkzeuge, die in dieser Arbeit entwickelt wurden, nämlich eines hochempfindlichen Röntgenspektrometers und einer Durchflussnasszelle.
KW  - Organisches Molekül
KW  - Elektronenstruktur
KW  - Röntgenspektroskopie
KW  - Energiedispersive Röntgenspektroskopie
KW  - Buckminsterfulleren
KW  - Molekularbewegung
KW  - Molekül
KW  - Molekülsymmetrie
KW  - Molekülzustand
KW  - Organisches Molekül
KW  - x-ray emission spectroscopy
KW  - x-ray absorption spectroscopy
KW  - organic molecules
KW  - liquids
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-37055
ER  - 
TY  - THES
A1  - Scherdel, Christian
T1  - Kohlenstoffmaterialien mit nanoskaliger Morphologie - Entwicklung neuartiger Syntheserouten
T1  - Carbon material featuring nanoscale morphology - Development of novel synthesis routes
N2  - Hochporöse Kohlenstoffaerogele, die über den Sol-Gel-Prozeß auf der Basis von Resorzin und Formaldehyd hergestellt werden, sind Werkstoffe mit beeindruckenden physikalischen Eigenschaften. Leider werden bisher nur geringe Mengen an Kohlenstoffaerogelen produziert und aus Kostengründen auf günstigere Materialien mit vergleichsweise schlechteren Eigenschaften zurückgegriffen. Um diesen Nachteil zu nivellieren lag die Motivation der vorliegenden Arbeit in der Entwicklung neuer Syntheserouten für Kohlenstoffmaterialien mit nanoskaliger Morphologie, wobei insbesondere auf kostengünstige Edukte und/oder einfache Prozessierung zurückgegriffen werden sollte. Als in Frage kommende Eduktsysteme wurden Zucker, sowie Hydroxybenzol-Formaldehyd-Derivate ausgewählt. Die hergestellten Kohlenstoffe wurden hauptsächlich mit Elektronenmikroskopie, Gassorption und Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) charakterisiert. Um Fehlinterpretationen der experimentellen Daten für das neue Materialsystem zu vermeiden, war ein umfangreiches Wissen zu den Charakterisierungsmethoden und den diesen zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien notwendig. Kohlenstoffpulver basierend auf sphärischen Resorzin-Formaldehyd Suspensionen und Sedimenten bilden eine völlig neue Möglichkeit zur Erzeugung von Kohlenstoffnanokugeln. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb systematisch der Bereich der Syntheseparameter im RF-System zu den nicht-monolithischen Parametersätzen hin vervollständigt. Anhand der bestimmten Daten konnte diese Stoffklasse umfassend und detailliert charakterisiert und interpretiert werden. Die Partikelgröße hängt im Wesentlichen von der Katalysatorkonzentration und in geringerem Maße von der Eduktmenge in der Startlösung ab. Die ermittelte untere Grenze der Partikelgröße aus stabilen kolloidalen Dispersionen beträgt ca. 30 nm. Größere Partikel als 5 µm konnten trotz Modifikation der Syntheseroute nicht erzeugt werden. Eine Abschätzung über den Aggregationsgrad der Kohlenstoffpulver wurde durchgeführt. Eine Beimischung von Phenol verringert in diesem System zum einen die Partikelgröße und erzeugt zunehmend nicht-sphärische Strukturen. Die aus Gassorption, SAXS und dynamischer Lichtstreuung (DLS) ermittelten Partikelgrößen stimmen gut überein. Bei der Pyrolyse schrumpfen die Partikel auf 84% des Ausgangswerts (Partikeldurchmesser). Ein Fokus dieser Arbeit lag in der Herstellung poröser Kohlenstoffe mit Phenol und Formaldehyd (PF) als Eduktbasis und unterkritischer Trocknung (Kohlenstoffxerogele). Um die Bandbreite der Eigenschaften der resultierenden Kohlenstoffxerogele zu erweitern, wurden zahlreiche Modifikationen der Syntheseparameter und im Herstellungsprozeß durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, daß im Eduktsystem Phenol-Formaldehyd in wäßriger Lösung mit Na2CO3 als basischem Katalysator prinzipiell poröse Xerogele herstellbar sind; allerdings verhindert eine ungewöhnliche Gelierkinetik (Flockenbildung statt Sol-Gel-Übergang) eine umfassende Interpretation des Systems, da die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse nicht gewährleistet ist. Bei Phenol-Formaldehyd in wäßriger Lösung und NaOH als Katalysator kommt es meist zu einem Kollabieren des Gelnetzwerks während der Trocknung. Lediglich bei hohem Formaldehydüberschuß zeigt sich ein enger Bereich, in dem Xerogele mit geringer Dichte (rhomin = 0,22 g/cm3) und relevantem Mesoporenvolumen von bis zu 0,59 cm3/g synthetisierbar sind. Die interessanteste Kombination im PF-System ergibt sich mit HCl als Katalysator und n-Propanol als Lösungsmittel. Hier sind hochporöse Kohlenstoffxerogele mit geringen Dichten (rhomin = 0,23 g/cm3) und für Xerogele sehr hoher Mesoporosität von bis zu Vmeso = 0,85 cm3/g möglich. Damit ist es im Rahmen dieser Arbeit erstmals gelungen über konvektive Trocknung homogene hochporöse Xerogel-Formkörper auf PF-Basis zu synthetisieren. Aus der Überwachung des Sol-Gel-Prozesses mit Detektion der Soltemperatur konnten wichtige Erkenntnisse über exo- und endotherme Vorgänge gewonnen werden. Zudem zeigt die Zeitabhängigkeit der Soltemperatur Gemeinsamkeiten für alle untersuchten Hydroxybenzol-Formaldehyd-Systeme. So kann der Gelpunkt der Ansätze zuverlässig und auch reproduzierbar anhand eines zweiten lokalen Temperaturmaximums ermittelt werden, welches mit einer Gelpunktsenthalpie korreliert wird. Damit ist auch eine Prozeßkontrolle, z.B. für die Kombination mit Partikeltechnologien, möglich. Die zugrundeliegenden Strukturbildungsmechanismen, Sol-Gel-Prozeß einerseits und Trocknung andererseits, wurden in-situ mittels SAXS beobachtet und anhand der gewonnenen Daten diskutiert und bewertet. Eine vollständige Adaption des etablierten und akzeptierten Bildungsmechanismus von RF basierten Aerogelen (Partikelbildung aus Kondensationskeimen und Partikelwachstum) für das PF-System wird ausgeschlossen. Vielmehr scheint bei den untersuchten PF-Systemen auch eine Mikrophasenseparation als konkurrierender Prozeß zur Partikelbildung von Relevanz zu sein.
N2  - Highly porous carbon aerogels derived via the sol-gel-process based on the precursors resorcinol and formaldehyde are materials with impressive physical properties. In principle, they are suited for many applications (e.g. thermal insulations, components in electrochemical devices). Unfortunately, up to now, there are only small amounts of carbon aerogels available. Due to cost efficiency, cheaper materials with less favourable properties compared to carbon aerogels are used. To compensate for this disadvantage, the motivation for this work was the development of new synthesis routes for carbon materials with nanostructured morphology, applying in particular cheap precursors and/or simple processing. As precursor systems, sugar as well as hydroxybenzene-formaldehyde-derivatives were chosen. The produced carbons were characterised in particular by electron microscopy, gas sorption and small-angle X-ray scattering (SAXS). To avoid misinterpretation of the experimental data of the new materials system, extensive knowledge concerning the characterization methods and their underlying physical principles are essential. Carbon powders based on spherical particles derived from suspensions and sediments of resorcinol-formaldehyde (RF) solutions establish a completely new possibility to generate carbon nanospheres. Within the framework of this thesis the range of the synthesis parameters of the RF-system towards the non-monolithic parameter sets was therefore systematically completed. These materials were characterized and interpreted extensively and in detail by using the derived experimental data. The particle size depends essentially on the catalyst concentration rather than on the amount of precursors in the initial solution. The lower limit particle size derived from stable colloidal suspensions is about 30 nm. Larger particles than 5 µm could not be synthesized, even when modifying the synthesis route. An estimate for the level of aggregation of the carbon powders was determined. Admixing of phenol decreases the particle size in this system and generates increasingly non-spherical structures. The evaluated particle sizes derived from gas sorption, SAXS and dynamic light scattering (DLS) are in good agreement with each other. During pyrolysis, the particles shrink to 84% of the initial value (particle size). One goal of this work was the synthesis of porous carbons with phenol and formaldehyde (PF) as precursors and subcritical drying (carbon xerogels). To extend the possible properties of the resulting carbon xerogels, several modifications of the synthesis parameters as well as in the production process were conducted. The results show, that with the precursors phenol-formaldehyde in aqueous solution using Na2CO3 as catalyst, porous xerogels can in principle be synthesized. However, the unusual gelation kinetics (flake forming instead of sol-gel-transition) prevents a detailed interpretation of this system, because the reproducibility of the results can not be ensured. With the system phenol and formaldehyde in aqueous solution using NaOH as catalyst, the gel network mostly collapses during drying. Only with excess formaldehyde a range in the synthesis parameters exists, where xerogels with low density (rhomin = 0,22 g/cm3) and relevant mesopore volume of up to 0,59 cm3/g can be synthesized. The most interesting combination of PF is with HCl as catalyst and n-propanol as solvent. With this system, highly porous carbon xerogels with low densities (rhomin = 0,23 g/cm3) and for xerogels high mesoporosity of up to Vmeso = 0,85 cm3/g can be synthesized. Hence, within the framework of this thesis highly porous monolithic xerogels based on PF as precursors in combination with subcritical drying have been successfully synthesiszed for the first time. Monitoring of the sol-gel-process by detection of the sol temperature provided important information about exo- and endothermal reactions. Moreover, the temperature dependence of the sol shows similarities for all investigated hydroxybenzene-formaldehyde combinations. The gelling point of the precursor systems can be reproduced reliably by determining a second local maximum of the sol temperature, which can be correlated with an enthalpy of gelation (second order process). By this way, a process control is possible, e.g. for the combination with particle technologies. The basic mechanisms of structure formation, i.e. the sol-gel-process on the one hand and the subcritical drying on the other hand were monitored in-situ by SAXS and discussed on the base of the obtained data. A complete adaptation of the established and accepted structure formation mechanism of RF based aerogels (forming and growing of particles by) can be ruled out for the PF-system. Moreover, microphase separation seems to be a relevant competing process for the particle forming in the PF-system.
KW  - Sol-Gel-Verfahren
KW  - Kohlenstoff
KW  - Aerogel
KW  - Xerogel
KW  - Phenol-Formaldehyd-Kondensationsprodukt
KW  - Nanopartikel
KW  - Adsorption
KW  - Röntgen-Kleinwinkelstreuung
KW  - sol-gel-technology
KW  - xerogel
KW  - phenolic resin
KW  - carbon
KW  - nanoparticle
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-45325
ER  -