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Three- and four-junction III-V solar cells as well as their respective isotype cells were irradiated with electrons and protons. The cells were characterized in order to determine their electrical degradation parameters and their characteristic degradation behavior. A new experimental setup as well as a new data analyzing method were developed. Es wurden sowohl Dreifach- und Vierfach-III-V-Solarzellen, als auch deren jeweilige Komponentenzellen mit Elektronen und Protonen bestrahlt. Die Zellen wurden charakterisiert, um deren elektrische Degradationsparameter und deren charakteristisches Degradationsverhalten zu bestimmen. Ein neuartiger Experimentalaufbau als auch eine neuartige Datenanalysemethode wurden entwickelt.

Electric cell-substrate impedance sensing is widely used for cell studies. Besides, a simultaneous optical analysis of the cells provides more detailed information for a better understanding of the electrical recordings. This reveals the importance of transparent electrodes for a better optical properties. To achieve this goal, we fabricated electrode array with randomly spray-coated CNTs on flexible polymeric substrate. We successfully conducted a wound healing assay on CNT electrodes and correlated the impedance graphs with optical images. Die Messung der elektrischen Impedanz von adhärierten Zellschichten wird häufig für die Zellcharakterisierung eingesetzt. Eine gleichzeitige optische Analyse kann noch zu einem besseren Verständnis der spektroskopischen Impedanzdaten führen. Durch die Verwendung von transparenten Elektroden soll eine bessere optische Charakterisierung möglich werden. Um dies zu ermöglichen, wurden Elektrodenarrays mit ungerichtet aufgesprühten CNTs auf flexiblen Polymersubstraten hergestellt. Es konnten erfolgreich Wundheilungs-Assays durchgeführt werden, bei denen die elektrischen Impedanz Eigenschaften von Zellschichten auf CNT-Elektroden mit den Daten aus der optischen Mikroskopie korreliert wurden.

The ability to precisely define and manufacture structures in the nanometer range over large areas is subject to one of the greatest efforts in the semiconductor industry. This work investigates the feasibility of nano-transfer printing and nanoimprint lithography as reliable and reproducible methods for the fabrication of metal nanoelectrode arrays for energy conversion applications with a focus on heterogeneous electrocatalysis. The efficiency of a photoelectrochemical solar cells that convert carbon-dioxide directly to carbon fuels can be highly increased by implementing well-defined nanostructured catalyst materials. Die Möglichkeit Strukturen im Nanometerbereich auf großen Flächen präzise zu definieren und herzustellen ist Gegenstand einer der größten Anstrengungen in der Halbleiterindustrie. Die Arbeit beschreibt die Entwicklung von Nanopräge- und transferverfahren für den Einsatz im Bereich der Energieumwandlung mit Schwerpunkt der Forschung an fotoelektrochemischen Zellen zur Umwandlung von Kohlenstoffdioxid in nutzbare Brennstoffe. Nanostrukturierten Elektroden zeigen hier eine Effizienzsteigerung der chemischen Vorgänge an den katalytischen Grenzflächen und des gesamten Bauelementes.

Ultra short laser ablation is a common technique for material processing of metal thin films on transparent substrate. Recently, a so-called "confined" laser ablation effect has been reported, where an ultra-short laser pulse (pulse duration 660 fs and wave length 1053 nm) irradiates onto a thin Molybdenum (Mo) film through a transparent glass substrate, resulting in a "lift-off" of the irradiated layer in form of a thin, solid, cylindrical fragment. This effect provides a new and very energy-efficient selective structuring process for the Mo-back electrode in thin-film solar cell production. The aim of this study was to create a Finite Element Method (FEM) simulation model to investigate the underlying mechanism of the confined laser ablation of a thin Mo-film coated on a transparent glass substrate by backside irradiation with an ultra short laser pulse. The 3D axisymmetric FEM model consists of a volume absorption for the laser pulse, a two-temperature model approach for heat diffusion in the electron and the lattice subsystem and a thermo-mechanical expansion part, which includes the expansion in the solid as well as the expansion during the phase transition of melting and evaporation. The time frame of the model ranges from the femtosecond to the microsecond regime to precisely include the involving physical mechanisms, which appear on the different time scales. The simulation reveals that irradiation of the Mo-layer with an ultra-short laser pulse causes a rapid acceleration in the direction of the surface normal within a time frame of a hundred picoseconds to a peak velocity of about 100 m/s. Then, the molybdenum layer continues to move as an oscillating membrane, and finally forms a dome after about 100 ns. The calculated strain at the edges of the dome exceeds the tensile stress limit at fluences that initiate the "lift-off" in experimental investigations. In conclusion, the simulation reveals that the driving mechanism of the "lift-off" with ultra short laser pulses is the ultra-fast expansion of the interface layer and not the generated gas pressure, which is considered to be the driving force of the "lift-off" with short laser pulses. The model is further applied for an investigation to study the melting and vapor volume over a wide range of pulse durations from 5 fs to 100 ps. It turns out, that the maximum vapor volume is reached at a pulse duration between 10 ps to 50 ps. The results provided compelling evidence, that the electron heat transfer is predominant for the ultra-short pulse regime below 10 ps to 50 ps, while the lattice heat transfer is the outbalanced for longer pulse durations. Thus, by considering the vapor volume as the ablated domain, it is supposed that an effective pulse duration exists where the heat conduction of electron and lattice is balanced, such that the vapor volume can be maximized. Die ultrakurze Laserablation ist eine verbreitete Technik zur Materialbearbeitung von Metalldünnfilmen auf transparentem Substrat. Kürzlich wurde ein sogenannter "eingeschlossener" Laserablationseffekt beschrieben, bei dem ein ultrakurzer Laserpuls (Pulsdauer 660 fs und Wellenlänge 1053 nm) durch ein transparentes Glassubstrat auf einem dünnen Molybdän (Mo) -Film strahlt, welcher das Abheben der bestrahlten Schicht in Form eines dünnen, festen, zylindrischen Fragments bewirkt. Dieser Effekt bietet einen neuen und sehr energieeffizienten selektiven Strukturierungsprozess für die Mo-Rückseiten-Elektrode bei der Herstellung von Dünnschichtsolarzellen. Das Ziel dieser Studie war es, ein FEM (Finite-Elemente-Methode)-Simulationsmodell zu erstellen, um den zugrunde liegenden Mechanismus der eingeschlossenen Laserablation eines dünnen Mo-Films zu untersuchen der auf ein transparentes Glassubstrat aufgetragen und mit einem ultrakurzen Laserpuls von der Rückseite bestrahlt wurde. Das axialsymmetrische 3D-FEM-Modell besteht aus einer Volumenabsorption für den Laserpuls, einem Zwei-Temperatur-Modell für die Wärmediffusion im Elektron und im Gittersubsystem sowie einem thermomechanischen Expansionsteil, der sowohl die Expansion im Festkörper als auch die Expansion während des Phasenübergangs vom Schmelzen und Verdampfen umfasst. Die Zeitdauer des Modells reicht von dem Femtosekunden- bis in den Mikrosekundenbereich, um die beteiligten physikalischen Mechanismen, die auf den verschiedenen Zeitskalen auftreten, präzise einzubeziehen. Die Simulation zeigt, dass die Bestrahlung der Mo-Schicht mit einem ultrakurzen Laserpuls innerhalb eines Zeitrahmens von hundert Pikosekunden eine schnelle Beschleunigung in Richtung der Oberflächennormalen der Schicht auf eine Spitzengeschwindigkeit von etwa 100 m/s bewirkt. Dann bewegt sich die Molybdänschicht als oszillierende Membran weiter und bildet schließlich nach etwa 100 ns eine Kuppel. Die berechnete Dehnung an den Rändern der Kuppel überschreitet die Zugspannungsgrenze bei Fluenzen, die bei experimentellen Untersuchungen zum Ablösen der Schicht führen. Zusammenfassend zeigt die Simulation, dass der Antriebsmechanismus des „Abhebens“ einer dünnen Metall Schicht mit ultrakurzen Laserpulsen die ultraschnelle Ausdehnung der Grenzflächenschicht und nicht der erzeugte Gasdruck ist, der als treibende Kraft des " Abheben" mit kurzen Laserpulsen bekannt ist. Das Modell wird ferner für eine Untersuchung angewendet, um das Schmelz- und Dampfvolumen über einen weiten Pulsdauer von 5 fs bis 100 ps zu untersuchen. Es stellt sich heraus, dass das maximale Dampfvolumen bei einer Pulsdauer zwischen 10 ps und 50 ps erreicht wird. Die Ergebnisse lieferten überzeugende Beweise dafür, dass die Elektronenwärmeübertragung für das ultrakurze Pulsregime unter 10 ps bis 50 ps vorherrscht, während die Gitterwärmeübertragung für längere Pulsdauern überwiegt. Unter der Annahme, dass das Dampfvolumens als abgetragener Domäne betrachtet wird, wird angenommen, dass eine effektive Pulsdauer existiert, bei der die Wärmeleitung von Elektron und Gitter ausgeglichen ist, so dass das Dampfvolumen maximiert werden kann.

In this work, we develop processing techniques for the development and fabrication of spray deposited CNT based devices. After developing a sprayable CNT ink, we introduce a spray deposition process with according characterization. Next, we present the development and characterization of CNT TFTs, followed by the coupling with IGZO transistors to fabricate functional flexible logic gates. Finally, we present a process for the fabrication and characterization of resistive CNT based gas sensors, additionally coupling this with the TFT technology to fabricate chemFETs. In dieser Arbeit entwickeln wir Verarbeitungstechniken für die Entwicklung und Herstellung von sprühbeschichteten CNT-basierten Bauteilen. Nach der Entwicklung einer sprühfähigen CNT-Tinte führen wir einen Sprühabscheidungsprozess mit entsprechender Charakterisierung ein. Als nächstes präsentieren wir die Entwicklung und Charakterisierung von CNT-TFTs, gefolgt von der Kopplung mit IGZO-Transistoren, um funktionale flexible Logikgatter herzustellen. Schließlich stellen wir ein Verfahren zur Herstellung von resistiven CNT-basierten Gassensoren vor, das zusätzlich mit der TFT-Technologie zur Herstellung von chemFETs gekoppelt wird.

In this work nanotransfer printing (nTP) was combined with plasma oxidation of Ti to an efficient fabrication process for ordered nano- and microscale metal- and metal-oxide-structures on doped silicon. Furthermore, kinetic Monte Carlo (kMC) simulations of ultrathin metal-oxide-layers were performed to analyse the electronic properties of TiO2 and AlOx for applications in MOS and MOM nanodevices. Finally, dominant charge transport processes and defect energies in dependence of the fabrication of the nm-thin oxide films were found and implications for their use memory and photocatalytic materials were derived. Nanotransfer Printing (nTP) wurde mit einem zusätzlichen Plasmaoxidationsprozess auf Titan zu einem effizienten Herstellungsverfahren für hochgeordnete nano- and microscale Metall- und Metall-Oxid-Strukturen auf dotiertem Silizium weiterentwickelt. Ferner wurden mittels kinetischer Monte Carlo (kMC) Simulationen die elektronischen Eigenschaften von Titandioxid und Aluminiumoxid hinsichtlich ihrer Anwendung in nanoskaligen MOS und MOM Bauelementen untersucht. Dominante Ladungstransportprozesse und transportbestimmende Defektenergien wurden in Abhängigkeit der Herstellung der nur wenige nm-dünnen Oxidfilme bestimmt und Implikationen für ihre Nutzung für Speicher oder in der Photokatalyse abgeleitet.

In this thesis work, solution processable transistors and inverters are explored for bio-sensing applications. Semiconductors used in this work are carbon nanotube and indium gallium zinc oxide. Sensing is demonstrated for biomolecules like glucose, lactate, neurotransmitters like dopamine and also proteins like tnf-alpha. The impact of electrolyte systems and transistor structures for bio-sensing applications is also addressed. In dieser Arbeit werden lösungsbasierte Transistoren und Wechselrichter für Biosensorik-Anwendungen untersucht. Die in dieser Arbeit verwendeten Halbleiter sind Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Indium-Gallium-Zinkoxid. Die Sensitivität wird für Biomoleküle wie Glukose, Laktat, Neurotransmitter wie Dopamin und auch Proteine wie tnf-alpha nachgewiesen. Die Auswirkungen von Elektrolytsystemen und Transistorstrukturen für Biosensorik-Anwendungen werden ebenfalls behandelt.

Inorganic nanomaterials can combine advantages typical for organic semiconductors, especially the fabrication by simple solution processes, and the high performance associated with inorganic semiconductors. In this work, we investigate the integration of such nanomaterials into solution-processed, organic-inorganic thin film solar cells and light emitting diodes. For this surface functionalized silicon quantum dots serve as active materials for light emission and absorption, spray-deposited metal nanowires from silver and copper as transparent conductive electrodes. Anorganische Nanomaterialien können die einfache, lösungsbasierte Herstellung und andere Vorteile typisch für organische Halbleiter mit der höheren Leistungsfähigkeit anorganischer, kirstalliner Halbleiter verbinden. In dieser Arbeit untersuchen wir die Integration solcher Nanomaterialien in lösungsprozessierte, organisch-anorganische, Dünnfilm-basierte Solarzellen und Leuchtdioden. Dafür nutzen wir oberflächenfunktionalisierte Siliziumquantenpunkte als lichtabsorbierendes oder -emittierendes Material und gesprühte Filme aus Silber- oder Kupfernanodrähten als transparente und leitfähige Elektroden.

This work explores the use of solution processable electrolyte gated carbon nanotube transistor on a flexible substrate for biosensing applications. Biocompatibility of CNTs, their use as an impedance electrode is investigated. Different sensor architectures for single and multiple sensor arrays are developed. Using this as a platform several classes of biosensors targeted towards biochemicals such as ions, enzymes, neurotransmitters and DNA are developed. Diese Arbeit erforscht den Einsatz von elektrolyt gesteuerten Kohlenstoff-Nanoröhren-Transistoren (CNTs) hergestellt mit lösungsverarbeitbaren Materialien auf einem flexiblen Substrat für Biosensoranwendungen. Biokompatibilität von CNTs und ihre Verwendung als Impedanzelektrode wird untersucht. Es werden verschiedene Sensorarchitekturen für Einzel- und Mehrfachsensorarrays entwickelt. Auf dieser Grundlage werden verschiedene Klassen von Biosensoren entwickelt, die auf Biochemikalien wie Ionen, Enzyme, Neurotransmitter und DNA ausgerichtet sind.

This thesis contributes to the field of Printed Electronics and presents fully printed sensors on flexible substrates like plastic films. Conductive, isolating, and sensing materials were deposited by inkjet and screen printing as well as spray coating. Mechanical, environmental, chemical, and medical sensors, antennas, and circuit boards were printed and characterized. Hybrid sensor systems were assembled with conventional surface mount components for the use in the Internet of Things. Diese Arbeit ergänzt die gedruckte Elektronik und präsentiert vollständig gedruckte Sensoren auf flexiblem Untergrund wie z.B. Plastikfolie. Leitfähige, isolierende und sensitive Materialien wurden tintenstrahl- und siebgedruckt sowie sprühbeschichtet. Mechanische, chemische und medizinische Sensoren sowie Umweltsensoren, Antennen und Leiterplatten wurden gedruckt und charakterisiert. Hybride Sensorsysteme wurden für das Internet der Dinge mit konventionellen Oberflächenmontagekomponenten bestückt.

In this thesis, we report on the synthesis, deposition and characterization of novel transparent electrode materials such as copper and silver nanowires. As deposition technique, spray coating is selected, which allows for a scalable, uniform, fast and roll-to-roll processable fabrication process at ambient conditions. The fabricated conductive films are used for novel electronic devices such as transparent heaters, thermo-acoustic loudspeakers, flexible antennas and transparent thermocouples. In dieser Arbeit wird die Synthese, Deposition und Charakterisierung von neuartigen transparenten Elektrodenmaterialien wie Kupfer- oder Silbernanodrähten vorgestellt. Zur Deposition der Elektroden werden Sprühverfahren verwendet, die einen skalierbaren, homogenen, zügigen und Rolle-zu-Rolle kompatiblen Herstellungsprozess bei Umgebungsbedingungen erlauben. Die leitfähigen Schichten werden für neuartige elektronische Bauteile wie transparente Heizer, thermoakustische Lautsprecher, flexible Antennen oder transparente Thermoelemente verwendet.

In dieser Arbeit wurde ein Elektro- und Photolumineszenzmessplatz (EL/PL) zur Analyse von GaInP2/Ga(In)As/Ge-Dreifachsolarzellen entwickelt. Anschließend an eine Erörterung der Besonderheiten der EL/PL Charakterisierung von Mehrfachsolarzellen wird eine Methode zur Messung der IV Parameter der individuellen Teilzellen abgeleitet und experimentell verifiziert. Darauf aufbauend werden lokale Zelleigenschaften mittels eines 3D Netzwerkmodells in SPICE simuliert. Zusätzlich wird eine EL/PL-basierte, ortsaufgelöste Serienwiderstandsmessung eingeführt. In this work a setup for electro- and photoluminescence (EL/PL) characterization of GaInP2/Ga(In)As/Ge triple-junction solar cells is developed. Next to a discussion of the peculiarities of EL/PL imaging applied to multijunction solar cells, a method to measure individual subcell IV parameters is devised and experimentally verified. These dark IV parameters are used as input parameters in a three dimensional network model in SPICE to simulate local properties of a solar cell. In addition a EL/PL based series resistance mapping is established.

In this thesis we present a novel fabrication scheme to define micro- and nanoscale metal electrodes in a purely additive printing process, where the metal film is transferred from the protruding regions of a stamp onto a receiving substrate. The presented process is based on a novel polymeric stamp material that enables excellent pattern replication with critical feature sizes from several micrometers down to sub-100 nanometers over large areas and with complex geometries. Diese Arbeit widmet sich der Entwicklung eines Verfahrens zur Schaffung von Metallkontakten sowohl für mikro- als auch nanoelektronische Anwendungen. Hierbei wird die Metallschicht von einem vorstrukturierten Stempel auf das Zielsubstrat additiv transferiert. Durch die Nutzung eines polymerbasierten Stempel-Materials, wird die zuverlässige Herstellung einer Vielzahl von Strukturen in Größenordnungen von mehreren Mikrometern bis hinunter zu weniger als 100 Nanometer ermöglicht.

With the potential to overcome barriers in current silicon-based semiconductor technology, two-dimensional (2D) materials research is rapidly developing in nano-scale applied sciences. This dissertation provides guidance for the fabrication and application of functionalized 2D silicon nanosheets, which show remarkable (opto)electronic properties. Their incorporation into well-known fabrication techniques leads to highly sensitive field-effect transistors, photodetectors and humidity sensors. Mit der Möglichkeit aktuelle Grenzen der Si-Halbleitertechnologien zu überwinden, entwickelt sich in den nanobasierten angewandten Wissenschaften die Forschung der zweidimensionalen (2D) Materialien. Diese Dissertation bietet eine Orientierungshilfe für Herstellung und Anwendung von funktionalisierten 2D-Silziumnanoschichten, die bemerkenswerte (opto)elektronische Eigenschaften aufweisen. Ihr Einbau in konventionelle Technologien führt zur Herstellung von hochsensitiven Feldeffekt-Transistoren, Photodetektoren und Feuchtigkeitssensoren.

This work presents a novel fiber-optic interferometer for displacement sensing at ambient and extreme environments, which is based on a low-finesse Fabry-Pérot cavity and a tunable laser operating in the telecom wavelength range. The displacement is determined using a quadrature detection method based on a high frequency modulation of the laser wavelength. Different sensor head configurations are described allowing to measure on various surface materials. Apart from detecting relative motions, a method for absolute distance sensing by two laser interferometry is described. Die Arbeit stellt ein neuartiges faseroptisches Interferometer für die Wegmessung bei Umgebungs- und bei extremen Umweltbedingungen vor, das auf einer Fabry-Pérot Kavität und einem durchstimmbaren Laser, der im Telekom-Wellenlängenbereich arbeitet, basiert. Die Abstandsänderung wird mit Hilfe eines Quadraturverfahrens bestimmt, das auf einer hochfrequenten Modulation der Laserwellenlänge beruht. Es werden verschiedene Sensorkopfanordnungen beschrieben, die es erlauben, auf unterschiedlichen Oberflächenmaterialien zu messen. Neben der Detektion von Relativbewegungen wird eine Methode zur Messung von absoluten Positionen durch Zwei-Laser Interferometrie beschrieben.

First the feasibility of spraycoated transparent conductive organic electrodes was investigated and a lithography process using the same material system was developed and used to fabricate fully organic electrolyte gated transistors. Spraycoating of transparent conductive organic electrodes has later been used to fabricate organic photodetectors. Also the applicability of spraycoating in the fabrication of full solid state organic potentiometric sensors and the fabrication of CNT-FET based ISFETs was demonstrated. In a last step the feasibility of nanoimprinting and nanotransferprinting for the fabrication of nanostructured organic solar cells was investigated. Es werden alternative Herstellungsmethoden für organische elektronische Bauelemente untersucht. Es wurden mittels Sprühbeschichtung hergestellte leitfähige organische Elektroden untersucht und ein lithographischer Prozess entwickelt um organische Elektrolyt gesteuerte Transistoren herzustellen. Die gesprühten Elektroden wurden zur Herstellung von organischen Photodetektoren verwendet. Danach wurden festkörperbasierte organische potentiometrische Sensoren und CNT-FET basierten ISFETs mittels Sprühbeschichtung hergestellt. Außerdem wurde die Herstellung von nanostrukturierten organischen Solarzellen mittels Nanoimprinting und Nanotransferprinting untersucht.

The Inkjet printing technique is a field that spans from graphic art and newspaper industry as a manufacturing tool to organic and flexible electronics as a major topic in scientific research. The drop-on-demand inkjet printing is a promising approach, which allows the patterning of materials with a negligible material waste, thus allowing a significant reduction of raw materials. Furthermore, inkjet printing is suitable for large scale production in a roll-to-roll process. Printing electronics (PE) over flexible substrates are an area of significant interest owing to the low-cost fabrication and the possibility of obtaining multifunctional electronics over small and large areas. In the frame of this Ph.D. thesis, an overview of inkjet printing technologies for flexible electronics is given from the view point of the materials challenges in implementing flexible devices into practical applications. The work is carried out with a Dimatix Materials Printer DMP-2831. The basic research concentrates on defining the ink and substrate materials and their interactions. Throughout this thesis, a reliable capacitive force sensor based on a polydimethylsiloxane (PDMS) film is presented. This film is integrated into a flexible PCB that includes a microcontroller capable of evaluating the sensor. The interconnects of the circuit are defined by silver nanoparticles, which are deposited by inkjet printing. The working principle of the circuit is demonstrated, proving that this simple approach can be used for artificial skin applications. The main purpose of the work is to condense the basic knowledge and highlight the challenges associated with the burgeoning and exciting field of printing techniques for flexible electronics. Der Tintenstrahldruck hat ein breit gefächertes Anwendungsspektrum, das von Kunst- und Zeitungsdruck bis hin zu gedruckter organischer und flexibler Elektronik reicht. Diese Depositionstechnologie ist ein vielversprechender Ansatz, der die Strukturierung von Materialien mit einem geringen Fertigungsausschuss erlaubt. Die effiziente Herstellung führt zu einer Reduzierung der Materialkosten. Des Weiteren bietet sich der Tintenstrahldruck als hervorragende Möglichkeit zur Skalierung nach oben an. Gedruckte Elektronik mit flexiblen Substraten ist ein interessanter Bereich aufgrund der kosteneffizienten Herstellung und der Möglichkeit multifunktionale Elektronik auf kleinen und großen Flächen herzustellen. Im Rahmen dieser Dissertation wird ein Überblick über verschiedene Tintenstrahltechnologien gegeben, die Herausforderungen an die funktionellen Materialien untersucht und die Implementierung von flexiblen Geräten für praxisbezogene Anwendungen präsentiert. Der experimentelle Teil der Arbeit wurde mit einem Dimatix Materials Printer DMP-2831 durchgeführt. Der Fokus liegt dabei darauf, die Tinte wie auch das Substrat und deren gegenseitige Wechselwirkung zu untersuchen. In dieser Arbeit wird ein zuverlässiger kapazitiver Kraftsensor basierend auf einem Polydimethylsiloxane-(PDMS)-Film präsentiert. Dieser Film ist in einem flexiblen Printed Circuit Board (PCB) mit Mikrocontroller integriert, der die Signale des Sensors weiterverarbeitet. Die Leiterbahnen des Schaltkreises werden durch gedruckte Silbernanopartikel (AGNPs) definiert. Die Funktion dieser Schaltung wird demonstriert, wodurch die Verwendung für Applikationen mit einer künstlichen Haut ermöglicht wird. Der Hauptzweck dieser Arbeit zielt darauf ab, das Grundverständnis über verschiedene Drucktechnologien herauszuarbeiten und die Herausforderungen an das spannende und aufstrebende Gebiet der gedruckten Elektronik zu untersuchen.

In this work nanotransfer printing (nTP) was combined with plasma oxidation of Ti to an efficient fabrication process for ordered nano- and microscale metal- and metal-oxide-structures on doped silicon. Furthermore, kinetic Monte Carlo (kMC) simulations of ultrathin metal-oxide-layers were performed to analyse the electronic properties of TiO2 and AlOx for applications in MOS and MOM nanodevices. Finally, dominant charge transport processes and defect energies in dependence of the fabrication of the nm-thin oxide films were found and implications for their use memory and photocatalytic materials were derived. Nanotransfer Printing (nTP) wurde mit einem zusätzlichen Plasmaoxidationsprozess auf Titan zu einem effizienten Herstellungsverfahren für hochgeordnete nano- and microscale Metall- und Metall-Oxid-Strukturen auf dotiertem Silizium weiterentwickelt. Ferner wurden mittels kinetischer Monte Carlo (kMC) Simulationen die elektronischen Eigenschaften von Titandioxid und Aluminiumoxid hinsichtlich ihrer Anwendung in nanoskaligen MOS und MOM Bauelementen untersucht. Dominante Ladungstransportprozesse und transportbestimmende Defektenergien wurden in Abhängigkeit der Herstellung der nur wenige nm-dünnen Oxidfilme bestimmt und Implikationen für ihre Nutzung für Speicher oder in der Photokatalyse abgeleitet.

This work is focused on the development of a multi-scale simulation software for the design of CNT-film devices for various applications. The modeling of the film is based on a stochastic algorithm that randomly generates bendable objects in a 3D space. The transport is calculated with a hybrid model that combines the NEGF approach with a circuit-level SPICE simulation. The validation of the model has been performed by comparing the simulations with the measurements of different kind of devices. Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Multiskalensimulationssoftware für das Design von Bauelementen auf der Basis von CNT-Netzwerken. Die Modellierung des CNT-Netzwerkes basiert auf einem stochastischen Algorithmus der zufallsbasiert biegsame Objekte in 3D erzeugt. Der Ladungstransport wird mit einem hybriden Model berechnet, das einen NEGF-Ansatz mit einer SPICE-Schaltungssimulation kombiniert. Das Model wurde durch einen Vergleich der Simulationsergebnissen mit Messergebnissen verschiedener Bauelemente validiert.

In this work, we introduce and develop methods for the realization of printed devices and objects for neuroelectronics. The main goal is to combine spray-deposition, inkjet printing and 3D-printing to realize arbitrarily designed structures (e.g. OPDs, OLEDs, polarizers, thin film heaters) employable in Lab-on-a-Chip or in vivo applications. The devices are fabricated and characterized, while their biocompatibility and stability in air and cell medium are assessed through long time experiments. In dieser Arbeit werden Verfahren für die Realisierung von Objekte und Bauteile für die Neuroelektronik,vorgestellt und entwickelt.Das Hauptziel ist Vereinigung von Sprühbeschichtung, Inkjet und 3D-Druck um die Realisierung von beliebig entworfene Bauteilen, (OFD,OLED,Polarisatoren, Heizkörper) in Lab-on-a-Chip oder in vivo Anwendungen, zu ermöglichen. Die hergestellten Bauelemente werden charakterisiert sowie auf ihre Biokompatibilität und Langzeitstabilität in Luft und Zellenmedium, untersucht

Auf Basis monoaxialer PVDF-Folie und der Folienkondensatortechnologie wurden ein elektrostatischer und ein piezoelektrischer Energy Harvester entwickelt und untersucht. Die Grundlagen der Energiewandlung wurde mittels analytischer Gleichungen hergeleitet und mittels numerischer Verfahren berechnet. Die praktische Untersuchung bestätigte die Funktionalität beider Energiewandler und deckte parasitärer Effekte auf. Die jeweiligen Vorzüge wurden im Vergleich zueinander und zu anderen Systemen erkennbar. Based on uniaxially oriented PVDF-film and film capacitor technology both an electrostatic and a piezoelectric energy harvester were developed and investigated. The theory of energy conversion was derived by means of analytical equations and calculated by numerical methods. The practical investigation confirmed the functionality of both energy harvesters and revealed parasitic effects. Both energy harvesters had their advantages, compared to each other and to other systems.

In this work, we have investigated the leakage mechanism in high permittivity thin film metal-insulator-metal structures. Employing a novel kinetic Monte Carlo but also a modified drift-diffusion simulator, we analyze the behavior of the leakage current for varying bias and temperature conditions. Once validated, our simulations help us identify the main process responsible for the large reported leaking currents: a multi-step trap assisted tunneling process via oxygen vacancies. Several solutions for reducing the undesired currents are presented and analyzed. In dieser Arbeit haben wir die Leckmechanismen von high-k Metall-Isolator-Metall Dünnschichtkondesatoren untersucht.Durch den Einsatz eines neuartigen kinetischen Monte-Carlo aber auch eines modifizierten Drift-Diffusions Simulator wird das Verhalten der Leckströme für unterschiedliche Bias- und Temperaturbedingungen analysiert. Nach der Validierung , helfen unseren Simulationen uns das Hauptmechanismus für die großen Leckströme zu erkennen: ein mehrstufiges Defekte-unterstütztes Tunnelprozess durch Sauerstoffleerstellen . Mehrere Lösungen zum Reduzieren der unerwünschten Ströme werden dargestellt und analysiert.

In keeping with the changing times, the process technology involved in semiconductor fabrication has undergone a major transition from 10 µm minimum feature size to the present 14 nm using conventional photolithography. This thesis focuses on an alternate fabrication process called Nanoimprint Lithography (NIL) which offers advantages of high throughput, low cost and high precision as compared to other fabrication techniques. Selected applications are discussed herein showing NIL as a promising future technology. Prozesse in der Halbleitertechnologie haben im Laufe der Zeit eine rasante Entwicklung durch laufen, um von 10 µm strukturgrößen zu den aktuellen 14 nm zu gelangen. Die hier vorgestellte Arbeit befasst sich mit einem alternativen Verfahren, nähmlich Nanoimprint Lithography (NIL), welches sich im vergleich zu anderen Prozessen durch geringe Kosten sowie hohe Durchsatzraten und Präzision auszeichnet. Die vielversprechenden Möglichkeiten dieser Technologie werden im Rahmen dieser Dissertation anhand von ausgewählten Anwendungen behandelt.

In this work, we utilize random carbon nanotubes (CNTs) networks in gas sensing applications. Spray deposition technique is employed to fabricate CNT-based gas sensors as well as CNT-based gas sensor arrays. The fabricated devices were deposited on rigid (Silicon) as well as flexible substrates (plastic). Finally, we investigated the frequency behavior of the fabricated devices by performing the complex impedance characterization. In dieser Arbeit verwenden wir Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) Netzwerke für Gassensoranwendungen. Sprühtechnologie wird verwendet, um auf CNT basierende Gassensoren sowie Gassensorarrays herzustellen. Die Sensoren wurden auf starren (Silizium) oder flexiblen (Kunststoff) Substraten abgeschieden. Anschließend wird das Frequenzverhalten der Sensoren mit Hilfe von Impedanz Spektroskopie charakterisiert.

In this work, we have investigated the electron transport, frequency response and optoelectronic properties of state-of-the-art single InAs nanowire field effect transistors, using both a full-band Monte Carlo simulator and an advanced hydrodynamic simulator. We perform a detailed high-frequency analysis, calibrating our simulations with experimental measurements that are successfully reproduced. We are thus able to make predictions about the HF performance and via a small signal analysis we determine the intrinsic cut-off frequency and maximum frequency of oscillation. In dieser Arbeit haben wir den Elektronentransport, Frequenzantwort und optoelektronische Eigenschaften von InAs Nanodraht- Feldeffekt-Transistoren untersucht , wobei sowohl ein Vollband Monte-Carlo- Simulator als auch ein erweiterter hydrodynamischer Simulator benutzt wurden. Wir führen eine genaue Hochfrequenzanalyse und Kalibrierung unserer Simulationen mit experimentellen Messungen , die erfolgreich reproduziert werden. Damit sind wir in der Lage, Vorhersagen über die HF- Leistung zu machen und über eine Kleinsignalanalyse können wir die intrinsische Transitfrequenz und die maximale Schwingungsfrequenz bestimmen.

For the present work single-walled carbon nanotube (SWNT) field-effect transistors and field-effect transistors based on poly(3-hexylthiophene) were fabricated and used as protein sensors in aqueous environment. The stability of both transistor types in biological buffers was tested. Additionally the interactions of various proteins with ligands, were analyzed using SWNT transistors. Using biofunctionalized SWNT transistors the dissociation constants of a protein was probed and it was possible to distinguish between two different other proteins by their pH-dependent sensor response. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Kohlenstoff-Nanoröhren (SWNT) Feldeffekttransistoren sowie Poly(3-Hexylthiophen) Feldeffekttransistoren hergestellt und als Proteinsensoren in wässrigen Lösungen verwendet. Es wurden beide Transistortypen hinsichtlich ihrer Stabilität in biologischen Puffern getestet. Weiters wurden Protein-Liganden Interaktionen mittels SWNT Transistoren gemessen. Unter Verwendung von SWNT Transistoren wurde ferner die Dissoziationskonstante eines Proteins bestimmt und zwischen zwei verschiedenen Proteinen anhand ihrer unterschiedlichen pH-Abhängigkeit unterschieden.

A solution-processable technique combining drop-casting and shadow-mask deposition was developed for the fabrication of field-effect transistors based on carbon nanotube random networks. The proposed technique, which is easy, fast, and reliable, allows direct control of network density and thus of the transistor characteristics. A systematic study has been carried out on the factors influencing the transistor performance, which provides novel knowledge and guidance for future device optimization. Zwecks Herstellung von Feldeffekttransistoren aus ungeordneten Netzen von Kohlenstoffnanoröhren wurde eine Technik entwickelt, die Tropfenbeschichtung mit Lochmaskenabscheidung kombiniert und mit Lösungen bearbeitbar ist. Die Technik, die einfach, schnell und zuverlässig ist, erlaubt direkte Steuerung über Netzdichte und damit Transistoreigenschaften. Eine systematische Untersuchung über Faktoren, die Transistorleistung beeinflussen, bietet neue Kenntnisse sowie Leitlinien künftiger Optimierung.

The aim of this thesis is to contribute to the fundamental understanding of the hydrogen evolution and the hydrogen oxidation reaction at platinum nanostructures on gold surfaces. This goal was pursued by investigating different systems, such as platinum nanoparticles on extended gold surfaces and on defined gold-nanostructure arrays. A comparison of these systems revealed the influence of strain, defect-density and spillover effect on the electrocatalytic activity of platinum. Mit dieser Arbeit soll das grundlegende Verständnis der Wasserstoffoxidations- und der Wasserstoffentwicklungsreaktion an Platin-Nanostrukturen auf Goldoberflächen erweitert werden. Dafür wurden verschiedene Systeme, wie zum Beispiel Platin-Nanopartikel auf ausgedehnten Goldoberflächen und auf definierten Gold-Nanostrukturen, untersucht. Ein Vergleich dieser Systeme offenbarte den Einfluss des Gitterdehnungs-, Defektdichte- und Spillover-Effekts auf die elektrokatalytische Aktivität von Platin.

Nanomagnetic Logic (NML) is a promising new method for performing logic operations, offering an alternative to silicon based logic technology with advantages of low power consumption and robustness. In this thesis we use nanoimprint lithography (NIL) for the fabrication of NML. Using this fabrication technique we exploit advantages of low cost and mass production. Nanomagnetische Logik (NML) ist eine vielversprechende Methode zum Verichten logischer Operationen, welche eine Alternative zur Silizium basierten Logik bietet und einen sehr niedrigen Energieverbrauch sowie eine hohe Stabilität aufweist. In dieser Arbeit setzen wir Nanoimprint Lithography (NIL) zur Herstellung von NML ein. Durch den Einsatz dieser Herstellungsmethode werden niedrigere Kosten und kürzere Produktionszeiten ermöglicht.

In this thesis it is discussed a new class of X-ray sensors based on organic semiconductors. The detectors here presented are organic photodiodes coupled with an inorganic scintillator layer. It is discussed, how photodiode characteristics such as dark current or external quantum efficiency are influenced by the semiconductor, cathode or interlayer material, the active area of the diode, the thickness of the active layer or the solvent used during the fabrication process. In dieser Arbeit wird eine neue Art von Detektor auf Basis organischer Halbleiter beschrieben. Diese Sensoren bestehen aus organischen Photodioden, welche mit einem anorganischen Szintillator kombiniert sind. Der wichtigste Vorteil dieser Technologie besteht darin großflächige Photodioden ohne höhere Kosten herstellen zu können, bei gleichzeitig höherer Sensitivität. Weiter können diese leicht an verschiedenste Röntgenspektren adaptiert werden.

Spin waves (SWs) in arrays of ferromagnetic nanowires, so called one-dimensional magnonic crystals have been studied. Propagating SWs in magnonic crystals were investigated by all electrical spectroscopy in the GHz regime. In artificial magnetic configurations SW excitation was controlled and SW propagation was reprogrammed. Atomic layer deposition of metallic ferromagnets has been investigated and improved regarding the magnetic parameters for the second generation of nanomaterials. Spinwellen (SW) in einer periodischen Anordnung von ferromagnetischen Nanodrähten, sogenannten eindimensionalen magnonischen Kristallen wurden untersucht. Propagierende SW wurden mit Hilfe rein elektrischer GHz-Spektroskopie vermessen. In künstlichen magnetischen Zuständen wurde die SW-Erzeugung und SW-Propagation kontrolliert. Atomlagenabscheidung von metallischen Ferromagneten wurde untersucht und hinsichtlich der magnetischen Parameter für moderne Nanomaterialien weiterentwickelt.

The solution-processability of organic photodetectors allows a straightforward combination with other materials and technologies, including inorganic ones, without increasing cost and process complexity significantly compared to conventional crystalline semiconductors. Present CMOS-imagers exhibit a small pixel fill factor of about 30 % which decreases the light sensitivity significantly. The fill factor can be increased up to 100 % by replacing the silicon photodiodes with an organic photoactive layer deposited with a simple low-cost spray-coating process. Additionally, different wave length regions can be exploited by using different organic materials. In this thesis, efficient inverted organic photodetectors were fabricated, resulting in the development of a prototype hybrid CMOS-imager which suitability for imaging was proven by a full opto-electronical characterization. Die Prozessierung von organischen Photodetektoren in flüssiger Form erlaubt eine einfache Kombination mit anderen Materialien und Technologien, auch anorganischer, ohne die Kosten und die Komplexität des Herstellungsprozesses, im Unterschied zu konventionellen kristallinen Halbleitern, zu erhöhen. Heutige CMOS-Bildsensoren besitzen einen kleinen Füllfaktor von etwa 30%, der die Lichtempfindlichkeit signifikant verringert. Der Füllfaktor kann bis zu 100% erhöht werden, indem anstelle des Siliziums eine organische photoaktive Schicht mit einem einfachen, kostengünstigen Sprühverfahren abgeschieden wird. Zudem können verschiedene Wellenlängenbereiche genutzt werden, indem einfach unterschiedliche organische Materialien aufgebracht werden. In dieser Arbeit wurden effiziente invertierte organische Photodetektoren hergestellt, deren Entwicklungshöhepunkt ein für Fotografie geeigneter Prototyp, ein hybrider CMOS-Bildsensor, ist.

In the frame of the Ph.D. thesis, we designed and fabricated an optoelectronic device suitable for absorbing infrared light. The device consists of a large area arrangement of almost 1 million nanoantennas and terahertz rectifiers which were fabricated on a glass substrate via a printing technique. The optoelectronic characterization with an infrared laser showed that the Seebeck Effect is the dominant rectification mechanism for the induced high frequency current. Im Rahmen der Doktorarbeit wurde ein optoelektronisches Bauteil zur Absorption von Infrarotstrahlung entwickelt und gefertigt. Das Bauteil wird aus einer großflächigen Anordnung von ungefähr 1 Millionen Nanoantennen und Terahertzgleichrichtern gebildet, die mittels einer Drucktechnik auf einem Glassubstrat hergestellt wurden. Die optoelektronische Untersuchung mittels eines Infrarotlasers zeigte, dass der Seebeck Effekt der dominante Rektifizierungsmechanismus für den induzierten hochfrequenten Strom ist.

This work provides a novel method to solve the effective mass Schrödinger equation, which is for the first time free of unphysical solutions. This allows the accurate calculation of the electronic structure in semiconductor nanostructures in electric and magnetic fields, which was not possible before. The application to InGaAs/GaAs quantum dots leads to the prediction of the field-dependent exciton energy, in particular of the linear and non-linear Zeeman splitting. Moreover, a design for a universal qubit gate is proposed. In dieser Arbeit wird eine neuartige Methode zur Lösung der Schrödingergleichung in effektiver Massenäherung vorgestellt, die erstmals frei von unphysikalischen Lösung ist und die genaue Berechnung der elektronischen Struktur von Halbleiternanostrukturen in elektrischen und magnetischen Feldern erlaubt, was zuvor nicht befriedigend möglich war. Die Anwendung auf InGaAs/GaAs Quantenpunkte führt zur Vorhersage der feldabhängigen Exzitonenenergie insbesondere der linearen und nicht-linearen Zeemanaufspaltung und zu einem Vorschlag für ein universelles Qubitgatter.

We present a novel quantum transport method that follows the non-equilibrium Green’s function (NEGF) formalism. We termed it the multi-scattering Büttiker-Probe (MSB) method. It generalizes the so-called Büttiker-Probe model and it is orders of magnitude more efficient than a NEGF calculation, yet accurately reproduces the results of the latter method as well as experimental data. This method is fairly easy to implement and opens the path to-wards realistic 3D quantum transport calculations. Wir stellen eine neue Quantentransport-Methode vor, die dem Konzept der Nicht-Gleichgewichts-Green-Funktionen (NEGF) folgt. Wir haben diese Methode Mehrfach-Streu-Büttiker-Probe (MSB) Methode genannt. Sie ist sehr viel effizienter als eine NEGF-Berechnung und sie reproduziert sowohl Ergebnisse von NEGF-Berechnungen als auch Experimente. Die MSB-Methode ist einfach zu implementieren und öffnet den Weg für realistische, dreidimensionale Quantentransport-Berechnungen.

Nanomagnet Logic (NML) emerges as a promising candidate of novel “beyond CMOS” technology. The main goal of this dissertation is to implement computational study on Co/Pt-based NML devices. We developed a model to describe the switching behavior and predicted non-reciprocal coupling from partially irradiated Co/Pt magnets. We demonstrated that with non-reciprocal coupling, the information flow can be well-controlled and error-free ordering can be achieved in large-scale NML circuits. Nanomagnetische Logik (NML), stellt sich als vielverspechender Kandidat für eine neuartige Technologie heraus, die über CMOS hinaus reicht. Das zentrale Ziel dieser Dissertation ist die Erstellung einer simulationsbasierten Untersuchung von Co/Pt-basierenden NML Bauteilen. Wir entwickelten ein Modell zur Beschreibung des Schaltverhaltens und schätzten das nichtreziproke Kopplungsverhalten von lokal bestrahlten Co/Pt Magneten ab. Wir zeigten, dass mit nichtreziproker Kopplung der Informationsfluss kontrolliert und fehlerfreie Ordnung in großen NML Schaltungen erreicht werden kann.

Over the last years, research in the field of organic electronics has primarily targeted the development of more efficient and stable materials along with the optimization of parameters within common techniques, with the aim of achieving more competitive device performance. The development of novel processing technologies required for enabling industrial-scale, large-area and high-throughput manufacturing were consequently given less attention among researchers. In this thesis a generalized framework for the development of innovative processing technologies suitable for scalable manufacturing of solution-processable organic thin-film electronics is introduced. Three promising technologies, nanoimprint lithography, transfer printing, and spray deposition are in focus, rendering the core of this thesis. Their evaluation is performed within the context of application to polymer and carbon nanotube thin-film technologies. In den letzen Jahren zielte die Forschung auf dem Gebiet der organischen Elektronik in erster Linie auf die Entwicklung von effizienteren und stabileren Materialien sowie der Optimierung von Parametern im Rahmen bestehender Verfahren ab, mit der Absicht konkurrenzfähigere Bauelemente zu realisieren. Die Entwicklung von neuartigen Verarbeitungstechnologien, die eine industrierelevante und großflächige Fertigung ermöglicht, erhielt folglich weniger Aufmerksamkeit. In dieser Arbeit wird ein allgemeiner Rahmen für die Entwicklung innovativer Verarbeitungstechnologien vorgestellt, die besonders für die skalierbare Fertigung organischer Dünnschichtbauelemente geignet sind. Dabei bilden drei Technologien den Kern dieser Arbeit: nanoimprint lithography, transfer printing und spray deposition. Ihre jeweilige Evaluierung wird im Hinblick auf Anwendungen in den Bereichen der Polymer und Carbon Nanotube Dünnschichttechnologien durchgeführt.

Faseroptische Sensoren auf Basis von Faser-Bragg-Gittern kommen vermehrt in Anwendungen zum Einsatz, die konventionellen elektrischen Sensoren nicht zugänglich sind. Die vorliegende Arbeit zeigt eine systematische Untersuchung der technischen Hürden bezüglich der Erfassung dynamischer Messgrößen und beschreibt darauf aufbauende neue Lösungen. Ein Algorithmus zur Detektion von Unterabtastungseffekten und Untersuchungen zur Implementierung eines optischen Tiefpassfilters erweitern den Einsatzbereich konventioneller Messsysteme. Intensitätsbasierte Messsysteme werden hinsichtlich Quellen von Messabweichungen und Messunsicherheiten untersucht und die Entwicklung eines intensitätsbasierten Messsystems für die Erfassung dynamischer Strukturlasten auf der ARIANE-Trägerrakete wird präsentiert. Fiber optical sensors based on fiber Bragg gratings are increasingly used in applications that are not accessible to conventional electrical sensors. However, measurement applications, which are based on the detection of dynamic quantities, are not yet state of the art. This thesis examines the technical hurdles related to the acquisition of dynamic measurands. An algorithm developed in the context of the work allows the detection of aliasing effects from spectrometrically detected fiber Bragg grating signals. The implementation of an optical low pass filter for the band-limited detection of dynamic fiber Bragg grating signals is discussed. A comprehensive description of intensity-based measurement systems regarding measurement errors and uncertainties is given. The development of a highly integrated intensity-based measurement system for use aboard the ARIANE launch vehicle is presented.

In this work, systems that consist of a combination of semiconductor materials and liquids are calculated. These biosensors have a solid–electrolyte interface, and the charges in the solid and in the electrolyte are coupled to each other through the Poisson–Boltzmann equation, which is self-consistently solved together with the Schrödinger equation. An extension of the Poisson–Boltzmann model allows one to distinguish between hydrophobic and hydrophilic interfaces. The distribution of ion species at the solid–electrolyte interface is described by ion specific potentials of mean force. Applications include the calculation of graphene and diamond based biosensors, and a silicon based protein sensor. Further topics discussed in this work are HgTe–CdTe and InAs–GaSb superlattices, quantum dot crystals, ballistic quantum transport calculations, as well as mobility calculations of charge carriers. In dieser Arbeit werden Systeme berechnet, die aus einer Kombination von Halbleitermaterialien und Flüssigkeiten bestehen. Diese Biosensoren weisen eine Festkörper–Elektrolytgrenzfläche auf, wobei die Ladungen im Festkörper und in der Flüssigkeit über die Poisson–Boltzmann-Gleichung gekoppelt sind, die zusammen mit der Schrödinger-Gleichung selbstkonsistent gelöst wird. Mit einer Erweiterung der Poisson–Boltzmann-Gleichung wird zwischen hydrophoben und hydrophilen Grenzflächen unterschieden. Die Verteilung der Ionen an der Festkörper–Flüssigkeitsgrenzfläche wird mittels ionenspezifischer Potenziale des mittleren Feldes beschrieben. Als Anwendungen werden Biosensoren, die aus Graphen und Diamant bestehen, sowie siliziumbasierte Proteinsensoren berechnet. Weitere Themen dieser Arbeit sind HgTe–CdTe- und InAs–GaSb-Übergitter, Quantenpunktkristalle, ballistische Quantentransportrechnungen, sowie die Mobilitätsberechnung von Ladungsträgern.

Semiconductor nanowires have attracted significant attention in the last decade for their potential in improving existing or enabling novel devices. An important challenge in the field is to reproducibly control the electronic properties and to fabricate high purity nanowires. We investigated different semiconductor materials (GaAs, Ge and Si), designed and realized multiple geometry field-effect transistors and sensors based upon them and characterized their properties, particularly regarding possible applications in future electronic devices architectures. Halbleiter-Nanodrähten wurde in den vergangenen zehn Jahren aufgrund ihres Potenzials, bestehende Bauelemente zu verbessern oder die Entwicklung neuartiger Bauelemente zu ermöglichen, erhebliche Aufmerksamkeit zuteil. In diesem Bereich stellt die Reproduzierbarkeit der elektronischen Eigenschaften sowie die Herstellung hoch-reiner Nanodrähte eine bedeutende Herausforderung dar. Verschiedene Halbleitermaterialien (GaAs, Ge und Si) wurden untersucht und Feldeffekttransistoren mit unterschiedlichen Geometrien und darauf aufbauende Sensoren wurden entworfen, realisiert und hinsichtlich ihrer Eigenschaften untersucht, besonders im Hinblick auf Anwendungsmöglichkeiten in zukünftigen Geräte-Architekturen.

Eine Schlüsselrolle in der zukünftigen CMOS-Herstellung sowie in vielen Bereichen der Nanotechnologie wird der Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD) zugeordnet. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf eines neuartigen Reaktorkonzeptes und der Realisierung einer kompletten ALD-Anlage. Zwei ALD-Prozesse zur Abscheidung von Aluminiumoxid und Siliziumnitrid werden implementiert und optimiert. Die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten werden untersucht. Quartz Crystal Microbalance wird als leistungsfähige Methode zur Visualisierung der Vorgänge auf der Oberfläche während ALD eingesetzt. Das Potential dieser Technik zur Optimierung in situ und zum Monitoring des ALD-Prozesses wird gezeigt. Atomic layer deposition will play a key role in future CMOS manufacturing as well as in many other fields of nanotechnology. The scope of this thesis is the development of a novel reactor concept and its implementation in a complete deposition system. ALD processes for deposition of silicon nitride and alumina were established and optimized. Physical analysis of the deposited films was performed in order to investigate the film composition. The electrical properties were characterized using MIS capacitors and field effect transistors. Quartz crystal microbalance was used to observe the adsorption behavior on the surface during ALD. It has shown to be a powerful and very helpful tool for in situ monitoring und optimizing of the ALD process.

The scope of this thesis is the synthesis and electrical characterization of Si to Ni silicide nanowire heterostructures with the focus on investigating their electronic transport properties and conceiving a novel type of transistor. Intrinsic Si nanowires (SiNW) were grown employing the vapor-liquid-solid mechanism. A central part of this thesis is the development of the longitudinal intrusion of Ni silicide into the SiNWs resulting in interfaces with a sharpness of at most a couple of nanometers. Schottky barrier field effect transistors (SBFET) were formed from Ni silcide / Si Ni silicide nanowire heterostructures, exhibiting p-conductance record current densities and on/off current ratios for intrinsic SiNW SBFETs. The gate potential could effectively tune the Schottky barrier width to control current injection. It was shown that the device polarity was exclusively controlled by the Schottky junctions. A novel device concept was developed, where each Schottky contact is independently gated. The same SiNW SBFET could be tuned to enable n-type as well as p-type operation, completely avoiding doping. Diese Dissertation befasst sich mit der Synthese und der elektrischen Charakterisierung von longitudinalen Silizium zu Nickel-Silizid Heterostrukturen in Nanodrähten mit dem Ziel, die elektronischen Transportmechanismen darin zu untersuchen und neuartige Bauelemente daraus zu entwickeln. Intrinsische Si-Nanodrähte wurden mittels einer Gas-Flüssigkeit-Festkörper-Reaktion gewachsen. Es wurde ein neuartiger Prozess entwickelt, der die Umwandlung von longitudinalen halbleitenden Si-Nanodrahtsegmenten in metallisches einkristallines Ni-Silizid ermöglicht. Die dabei entstehenden Grenzflächen wiesen eine Schärfe im Nanometerbereich auf. Somit konnten Ni-Silizid / Si / Ni-Silizid Nanodraht-Heterostrukturen erzeugt werden, die den Kern eines Schottky-Barrieren Feld Effekt Transistor (SBFET) bildeten. Elektrische charakterisierung der SBFETs zeigen eine effektive Kontrolle der Schottky-Barrierenbreiten durch das Gatter-Potential und die daraus resultierende Ladungsträger-Injektion. SBFETs mit unabhängige Gatter Kopplung zu jeden Schottky Kontakt wurden erstellt. In diesem Konzept werden die Ladungsträger einer Art durch die eine Schottky-Barriere injiziert, während die andere Ladungsträgerart durch die andere Barriere blockiert wird. Demgemäß konnte ein und derselbe SBFET sowohl n- als auch p-leitend betrieben werden, ohne von Dotierung Gebrauch zu machen.

Die Messung des Gelöst-Sauerstoffs (DO) im Mikromilieu lebender Zellen hat eine besondere Bedeutung in der Zellbiologie, vor allem in der Onkologie. Es besteht daher ein großes Interesse an Lab-on-chip-Systemen, die den DO messen. In dieser Arbeit wird die Gelöst-Sauerstoff-Messung (DO-Messung) mit elektrochemischen Sensoren zum Einsatz in Lab-on-chip-Systemen wissenschaftlich abgehandelt. Es wird die Relevanz der DO-Messung in der Zellbiologie erörtert und die Bedeutung für die Onkologie abgeleitet. Zudem werden die physiologischen und physikalischen Hintergründe der DO-Messung erklärt und die bisher verfügbaren Methoden beschrieben. Schließlich werden neue Ansätze für Lab-on-chip-Systeme vorgestellt. Dabei handelt es sich um ein neues Bezugssystem für elektrochemische Messungen, einen neuartigen DO-Sensor auf Basis von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, eine Erweiterung des Detektionsspektrums des bereits bestehenden O2-FETs sowie um eine Modellierung der elektrochemischen Vorgänge am O2-FET und einer kompletten modularen Systemlösung für Lab-on-chip-Systeme. Beispielmessungen zeigen die Richtigkeit der neuen sensorischen Ansätze und der theoretischen Annahmen. Messungen aus den Bereichen Umweltmonitoring und Chemosensitivitätsanalytik weisen die Einsatzfähigkeit der modularen Lab-on-chip-Lösung nach. Mit dem vorgestellten System steht nun erstmals ein modulares Lab-on-chip-System zur Verfügung, dessen DO-Sensorik auch umfassend beschrieben wurde. Abschließend werden die Ergebnisse diskutiert und deren Bedeutung für zukünftige zellbiologische Untersuchungen sowie für die Systembiologie dargestellt. The measurement of dissolved oxygen (DO) with electrochemical microsensors for use in lab-on-chip-systems is a powerful means in cell biology and oncology to obtain information on their vitality and viability. The state of the art of DO-measurement in cell biology is described and the relevance for oncology is derived. This requires an understanding of the physiological and physical properties of the DO-measurement. New concepts for DO-measurement with lab-on-chip-systems were thus developed, namely a new biocompatible and miniaturized reference electrode, a new carbon nano-tube based DO sensor, an extension of the so called O2-FET sensor as a redox sensor and a modular system approach for cell based assays are presented. Results from experiments in the field of environmental monitoring and chemosensitivity testing show that the new concepts for DO-measurement provide reliable and reproducible measurements. Now, a modular lab-on-chip-system is available where the DO-properties are described accurately. The results and their impact for the field of cell biology research are discussed and an outlook is given toward future work in the field of biotechnical engineering. A short overview at the expense situation in pharmacology and the development of the governmental sponsorship in system biology is stated.

Nanoimprint Lithography (NIL) is an innovative nanofabrication technology for generating novel structures and functional devices with feature sizes in the sub-20-nm region. This thesis introduces innovative multi-step and single-step NIL techniques for improving patterning flexibility and resolution of NIL through unconventional technological approaches. Experimental results were obtained by building and putting into operation two custom-designed NIL prototype tools. Detailed design concepts as well as operational data for these tools are presented in the thesis. Nanoimprint Lithographie (NIL) ist eine innovative Nanofabrikationsmethode für den sub-20-nm Bereich zur Herstellung von Strukturen und funktionalen Bauteilen der Elektrotechnik und verwandter naturwissenschaftlicher und ingenieurspezifischer Gebiete. In der vorliegenden Dissertation werden neuartige multi-step und single-step NIL Technologien eingeführt, die durch unkonventionelle technische Ansätze Flexibilität und Auflösung herkömmlicher NIL Prozesse grundlegend verbessern. Experimentelle Daten zu allen entwickelten NIL Prozessen wurden maßgeblich mit Hilfe von zwei speziell entworfenen und gebauten Prototypen von NIL-Geräten gewonnen. Konstruktions- sowie Operationsdaten zu diesen Geräten werden in der Arbeit ausführlich beschrieben.

Einige der wichtigsten Anwendungen der optischen Messtechnik sind im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung von Werkstoffen zu finden, bei der die Speckle-Interferomtrie eine entscheidende Rolle spielt. Die Arbeit liefert neue Ansätze zur Erweiterung der Einsatzbereiche dieses Messverfahrens. So umfassen viele Messaufgaben der Formerfassung komplex geformte Bauteile, die Unstetigkeiten wie Löcher, Stufen etc. aufweisen können. Derartige Bauteile konnten mit Hilfe der Speckle-Interferometrie bisher nur sehr eingeschränkt geprüft werden. Die vorgestellten Mess-Anordnungen und -Algorithmen erweitern das Potenzial dieser Technik und ermöglichen Echtzeitmessungen unter gleichzeitiger Beibehaltung von Eindeutigkeit und Genauigkeit. Some of the most important applications of optical measurement systems can be found in the field of non-destructive surface metrology. In this field speckle interferometry plays an important role. The thesis presents new methods for broadening the application area of this measurement technique. Many applications in the field of optical shape measurement cover complex shaped components which show discontinuities like holes, steps etc. Up to now the measurement of such components was only possible with certain constraints. The presented measurement setups and algorithms eliminate these constraints and allow a real time measurement of such components while both unambiguousness and accuracy are maintained.

In this thesis, an automated system for combinatorial synthesis and high throughput investigation of electrical properties of conductive polymers is described. The equipment provides a polymerization of defined mixtures of monomers into a thin layer on the addressed work electrodes of a direct electrode array. It is followed by high-throughput screening of current voltage characteristics according to the developed measurement protocol. The electrodes with an interdigital configuration were specially designed for simultaneous four- and two point conductance measurements. Programmed addition of analytes provided automated investigation of influence of gases on the synthesized polymers. The results of experimental test of the system are presented with investigation of materials for gas sensors. This equipment can be used for synthesis and electrical characterization of conductive polymers and multilayer polymer structures, for development of chemical sensors, bio-sensors, organic electronic devices and other thin film functional structures. The present work describes the whole design and realization of the electropolymerization in details, measurement and analysis concept, set-up, software, measurement protocol. The developed measurement protocol provides fast but comprehensive investigations. The software includes three parts, i) software for electropolymerization, ii) software for measurement and iii) data analysis. The equipment has been verified by the investigation and optimization of sensors for gaseous hydrogen chloride based on synthesized conductive polymers (aniline based). The developed sensors can be used in fire alarm systems. In dieser Arbeit ist das erste automatische System für kombinatorische Synthese und Hoch-Durchsatz-Untersuchungen elektrischer Eigenschaften von leitenden Polymeren beschrieben. Diese Anordnung ermöglicht die Polymerisation von definierten Mischungen von Monomeren zu einer dünnen Schicht auf den adressierten Arbeitselektroden eines direkten Elektrodenarrays aus 96 interdigitalen Elektroden. Im folgenden werden nach einem dafür entwickelten Messprotokoll mittels Hochdurchsatz-Screening die jeweiligen Strom-Spannungs-Charakteristika bestimmt. Dies geschieht mittels gleichzeitiger Zwei- und Vier-Punktmessung der Leitfähigkeit. Die Optimierung von Sensoren zur Detektion von Chlorwasserstoffgas, hergestellt aus Anilinderivaten, zeigt exemplarisch das Anwendungspotential. Das System kann zur Synthese und elektrischen Charakterisierung von leitenden Polymeren and Multischicht-Polymerstrukturen, zur Entwicklung von Chemosensoren, Biosensoren, organischen elektronischen Bauteilen und vielen anderen funktionellen Dünnschichtstrukturen eingesetzt werden.

Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der physikalischen und mathematischen Grundlagen für den Magnetfeld gesteuerten Wirkstofftransport am Beispiel der Tumortherapie. Der Schwerpunkt ist die rechnerische Ermittlung von Partikelbahnen für verschiedene Strömungsparameter sowie die Konstruktion geeigneter Magnetfeldquellen. Ausgehend von den hämodynamischen Eigenschaften des Blutkreislaufes und den magnetischen Eigenschaften der Nanopartikel wurde sowohl ein geschlossenes analytisches als auch ein numerisches Bahnenmodell entwickelt. Die Vorhersagen der Simulationsmodelle wurden mittels Experimenten im Tiermodell erfolgreich überprüft. The retention of superparamagnetic nanoparticles under the influence of a high gradient magnetic field was investigated. A simulation algorithm for prediction of the particle's trajectories and therefore the total amount of adhered particles in an artificial vessel was developed. Comparisons between in-vitro experiments and simulations showed that the required experimental magnetic moments were greater than the theoretically estimated magnetic moments. This study presents a method for investigating magnetic fields and for determing the magnetic moment of particles by simulation of their trajectories. The detailed function of magnetic drug targeting is of great importance in animal studies and in human therapies.