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Ion trajectories have been simulated for an assembly of a linear quadrupole ion-filter and a linear Paul trap with additional pin electrodes for MS SPIDOC, a project in preparation for the study of biomolecules by single-particle imaging with X-ray pulses. The ion-optical components are based on digital RF guiding and trapping fields. In order to carefully handle biomolecules over a wide mass-over-charge range, the module presented consists of separate components for filtering and accumulation/trapping in order to select the ions of interest and to convert the beam from a continuous ion source to ion bunches, respectively, as required for the experiments downstream. The present analysis focuses on the transmission efficiency and mass resolving power of the filter, as well as the buffer-gas-pressure-dependent ion capture and thermalization in the trap for the example of a mass-to-charge ratio equivalent to hemoglobin 15+ ions. The resulting optimized ion bunch delivered by the assembly is characterized.

Polyelektrolyt-Multischichtfilme (PEMs) werden durch schichtweise (eng. Layer by Layer, LbL) sequentielle Ablagerung von entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten auf einer geladenen Oberfläche hergestellt. Die LbL Methode kann auf verschiedene Weise zur Herstellung von PEM eingesetzt werden, z.B. durch Tauchen, Rotation, Sprühen oder Beschichten mit elektromagnetischen und fluidischen Methoden. In allen Artikeln dieser Dissertation wurde die Tauchmethode verwendet. Durch zyklische Wiederholung der Abscheidungsschritte kann die Dicke der PEM leicht gesteuert werden. Die Oberflächen und Grenzflächen des Films können mit der LbL Technik auch durch die elektrostatische Wechselwirkung zwischen positiv und negativ geladenen Polyelektrolyten modifiziert werden. Auf diese Weise lassen sich einige Eigenschaften des Films optimieren, beispielsweise Oberflächenadhäsion und Biokompatibilität, z. B. in der Gewebezüchtung oder es kann eine Monoschicht als Barriere an der Grenzfläche des Films adsorbiert werden, um die Diffusion von Molekülen im Film zu begrenzen z.B. bei Aufnahme oder Freisetzen von Medikamenten. Daher wurde die Rolle einiger Faktoren, wie die molare Masse der Polyelektrolyte und das Vorhandensein von Salzionen in der Präparationslösung auf die interne Struktur sowie die Oberfläche der PEMs untersucht. Für alle Untersuchungen dieser Dissertation wurde das häufig verwendete Modell-System aus dem positiv geladenen Polyelektrolyten Polydimethyldiallylammonium (PDADMA), und dem negativ geladenen Polyelektrolyten Polystyrolsulfonat (PSS), verwendet. Die Dicke der Filme wurde mit Röntgenreflektometrie, Ellipsometrie, UV-Vis-NIR-Spektrometrie bestimmt die interne Struktur mit Neutronenreflektometrie und die Oberflächentopografie mit Rasterkraftmikroskopie (eng. AFM) und Rasterelektronenmikroskopie (eng. SEM). In Artikel 1 wurde mit Hilfe der Neutronenreflektometrie die Struktur des Filmes und die Diffusion des Polyanions PSS (DPSS) senkrecht zur PEM Oberfläche untersucht. Variiert wurde die molare Masse des Polykations PDADMA und die Salzkonzentration der Präparationslösung. PEMs wurden aus drei verschiedenen NaCl-Konzentrationen in der Abscheidelösung hergestellt: 10 mmol/L, 100 mmol/L und 200 mmol/L. Die Salzkonzentration in der Polyelektrolytlösung bestimmt die Konformation der Polyelektrolyte während der Adsorption. Die Ketten werden weniger flach adsorbiert, wenn mehr Salzionen in der Adsorptionslösung vorhanden sind und die Filme werden dicker. Die Diffusion nahm mit zunehmender molarer Masse von PDADMA in Filmen, die aus 10 mmol/L, 100 mmol/L und 200 mmol/L hergestellt wurden, um mindestens drei Größenordnungen ab, denn die Zunahme der Kettenlänge, erhöht den Vernetzungsgrad im Film. Dabei zeigten Filme aus 10 mmol/L (NaCl) mit einer niedrigen molaren Masse von PDADMA die größte Diffusion (DPSS = 4.9 × 10−20 m2/s). Der Diffusionskoeffizient DPSS als Funktion des Polymerisationsgrades folgt zwei Potenzgesetzen mit einem Übergang bei einem Polymerisationsgrad von 288. Bei kürzeren Ketten stimmt der Exponent des Potenzgesetzes gut mit dem Modell der Sticky Reptation überein. Bei längeren Ketten war der Exponent viel größer, was vermuten lässt, dass die PSS-Ketten in einem zunehmend komplexen Polymernetzwerk gefangen sind. Wir verstehen den Übergang als Verschränkungsgrenze für das untersuchte System. Bei PEMs, die aus 100 mmol/L hergestellt wurden, konnte kein Potenzgesetz festgestellt werden. DPSS nahm sprunghaft um drei Größenordnungen ab, wenn die molare Masse von PDADMA von 45 kDa auf 72 kDa erhöht wurde. In Artikel 2 wurden die Oberfläche von PEMs aus Polyelektrolyten unterschiedlicher molarer Massen untersucht. Die Oberflächenrauhigkeit und die Dicke des Films wurden mit Röntgenreflektometrie und Ellipsometrie bestimmt. Die Oberflächentopografie wurde mit AFM und SEM aufgenommen. Alle PEMs wurden aus PE-Lösungen mit 0,1 mol/L NaCl hergestellt. Die Oberfläche der PEM, präpariert aus langem PSS und kurzem PDADMA oder langem PSS und langem PDADMA, war immer flach. Bei einer Filmzusammensetzung aus langen Polykationen (Mw (PDADMAlang) = 322 kDa) und kurzen PSS Molekülen (Mw (PSSkurz) = 10,7 kDa) wurden drei Wachstumsregime identifiziert: exponentiell, parabolisch und linear. Im exponentiellen Wachstumsregime bildet sich nach etwa sieben Beschichtungsschritten von PDADMA/PSS (eng. bilayers, bl) eine granulare Oberflächenstruktur aus mit einer Oberflächenrauigkeit von 1,6 nm und einer lateralen Periodizität von 70 nm. Mit zunehmender Schichtzahl nimmt die Oberflächenrauhigkeit sowie die laterale Periodizität zu. Im parabolischen Wachstumsbereich aggregieren die Strukturen zu Säulen, mit einer Oberflächenrauigkeit bis zu 23 nm und einer lateralen Periodizität bis zu 210 nm. Im linearen Wachstumsregime sind die säulenförmigen Domänen vollständig ausgebildet und die Oberflächenstruktur ändert sich nicht mehr. Diese Strukturen wurden schon während der Präparation, bereits vor dem Trocknen beobachtet. Dies zeigt, dass sich die Strukturen während der Abscheidung von PDADMA/PSS bilden. Bei Beobachtungen im Vakuum (SEM) war im linearen Bereich die Säulenstruktur bei der PDADMA terminierten PEM ausgeprägter als bei der PSS terminierten. Diese Strukturen bilden sich nur im Film mit anfänglichem exponentiellem Wachstum, d.h. wenn kurzen Ketten durch den ganzen Film diffundieren können. Das legt nahe, dass es für die Strukturbildung nicht ausreicht, dass der Polyelektrolyt kurz ist, sondern dass es auch beweglich sein muss. Um dies näher zu untersuchen wurde in Manuskript 1 die molare Masse des PSS variiert. Es wurden PEMs aus langem 322 kDa PDADMA und kurzem 6,5 kDa und 3,9 kDa PSS hergestellt und mit den Messungen von PEMs aus 10,7 kDa PSS verglichen. Die Verkürzung von PSS hat subtile Auswirkungen auf den Filmaufbau und die Selbststrukturierung. Für PEM aus PSS mit einer molaren Masse von 6,5 kDa konnten nur zwei Wachstumsregime ermittelt werden: ein exponentielles und ein lineares Wachstumsregime. Der Übergang vom exponentiellen zum linearen Wachstum erfolgte bei 28 Doppelschichten. Bei PEMs, die aus 3,9 kDa PSS hergestellt wurden, wurde bis zu 29 bl nur ein exponentielles Wachstum beobachtet. Dies zeigt, dass eine Verringerung der molaren Masse von PSS das exponentielle Wachstum auf eine größere Anzahl von abgeschiedenen Doppelschichten ausdehnt. Dies ist auf die zunehmende PSS-Diffusion zurückzuführen. In allen Filmen wurden Selbststrukturierungen beobachtet. Der Abstand und die Höhe der säulenartigen Domänen nehmen mit jeder abgeschiedenen PDADMA/PSS-Doppelschicht deutlich zu. Der durchschnittliche Domänenabstand ändert sich weniger und korreliert mit den vertikalen Wachstumsregimen. Der Domänenabstand schwankt zwischen 70 nm und 750 nm. Die größten lateralen Abstände und ein längeres exponentielles Wachstumsregime wurden mit dem kürzesten PSS (3,9 kDa) erreicht, was auf die hohe Mobilität des PSS zurückgeführt wird. Die Domänenhöhe ist immer kleiner als der Domänenabstand. Wenn die PEM mit PDADMA terminiert ist, sind die Oberflächenrauhigkeit und der durchschnittliche Abstand größer als bei PSS terminierten Filme in Wasser und nach dem Trocknen. Darüber hinaus wurden zwischen den Domänen Filamente beobachtet. Die Filamente bestehen aus PDADMA/PSS-Komplexen. Eine mögliche Vermutung ist, dass diese Komplexe zwischen den Domänen diffundieren und ihren Abstand anpassen. Die Oberflächenstruktur des Films aus PSS 10,7 kDa zeigt eine symmetrische gaußförmige Höhenverteilung in allen drei Wachstumsregimen von 5 bis 40 bl. Für die kurze PSS war eine solche Verteilung nur bis 15 bl (6,5 kDa) bzw. 20 bl (3,9 kDa) zu beobachten. Danach wurde für 6,5 kDa schiefe Verteilung mit Ausläufern zu größeren Höhen beobachtet. 3,9 kDa PSS zeigte dann sogar eine bimodale Höhenverteilung. Die lineare Ladungsdichte von PDADMA ist etwa halb so groß wie die von PSS. Folglich adsorbiert PDADMA in einer bürstenartigen Konformation. Wenn die oberste Schicht PDADMA ist, dann ist das PDADMA-Molekül nicht fest an die Oberfläche gebunden. Daher ist die durch die Oberflächenspannung erzeugte Kraft für PDADMA groß genug, um zu einer Veränderung der Oberflächenmorphologie und folglich zu einer kleineren Gesamtoberfläche zu führen.Außerdem sind die Domänen in 1 M NaCl-Lösung stabil, schrumpfen aber in 2 M NaCl enorm, während ihr Abstand leicht zunimmt. Diese Untersuchungen zeigten, dass die Mobilität des Polyelektrolyten PSS die Voraussetzung für den Aufbau einer strukturierten Oberfläche in einem PEM-System aus PDADMA/PSS ist. Diese Ergebnisse zeigten auch, dass die Verkürzung der Kette der PSS Moleküle die Herstellung von Filmen erleichtert, deren Dicke und Selbststrukturierung je nach dem gewünschten Zweck angepasst werden kann. Solche Filme können in der Medizin und Biologie als geeignetes Substrat zur Optimierung der Adsorption von Zellen und anderen Molekülen oder als Nanofilter effektiv eingesetzt werden. In dieser Dissertation konnte ich zeigen, wie die Verkürzung der Kette der PSS-Moleküle zur Bildung einer lateralen selbststrukturierten Oberfläche führt und wie die zunehmende Mobilität der PSS-Moleküle die Oberflächenmorphologie signifikant beeinflusst.

In this work, 2-dimensional measurements in the THz frequency range with self-made spintronic THz emitters were presented. The STE were used to optimize the spatial resolution and determine the magnetization in geometric shapes. At the beginning, various combinations of FM and NM layers were produced and measured to achieve an optimal composition of the STE. The layer thickness of the ferromagnetic CoFeB layer and the nonmagnetic PT layer was also varied. The investigations have shown that a layer combination of 2 nm thick CoFeB and 2 nm thick Pt, applied to a fused silica glass substrate and covered with a 300 nm thick SiO2 layer, emits the highest THz amplitude. Based on these, a structured sample, consisting of an STE and an additional layer system of 5 nm Cr and 100 nm Au, was produced. Further, three wedge-shaped structures were removed from the gold layer by an etching process so that the THz radiation generated by the STE can pass through these areas. This enables the optimization of the resolution of the system. For this purpose, the sample was moved perpendicular to the laser beam by two stepping motors with a step size of 5 μm and imaged 2-dimensionally. By reducing the step size to 0.2 μm, the beam diameter could be measured at the edge of the structure using the knife-edge method. Based on this measurement, the resolution of the system could be determined as 5.1 ± 0.5 μm at 0.5 THz, 4.9 ± 0.4 μm at 1 THz, and 5.0 ± 0.5 μm at 1.5 THz. These results are confirmed by simulations considering the propagation of THz wave packets through the SiO2. The expansion of the FWHM of the waves, passing through the 300 nm thick layer, is about 1%. Only a SiO2 layer with a thickness in the μm range occurs an expansion of around 10%. This shows that it is possible to perform 2-dimensional THz spectroscopy with a resolution in the dimension of the exciting laser beam by using near-field optics. Afterward, the achieved spatial resolution was used to investigate the influence of external magnetic fields on the STE and the emitted THz radiation. By implementing a pair of coils above the sample, an external magnetic field could be applied parallel to the pattern. The used sample was designed in such a way that only certain geometric areas on the fused silica glass substrate were coated with an STE so that THz radiation is emitted only in those areas. The 2-dimensional images show the geometric structures for f = 1.0 THz and f = 1.5 THz clearly. By applying a permanent, positive magnetic field (+M), a positive course of the THz amplitude can be seen. A rotation of the magnetic field by 180° (-M) leads to a reversal of the orientation of the emitted THz radiation, whereby the magnetic field does not influence the corresponding frequency spectrum. By using minor loops, the sample was demagnetized by the constant reduction of the magnetic field strength with alternating magnetic field direction. The 2-dimensional representation of the pattern with a step size of 10 μm shows that the sample was demagnetized since both, positively and negatively magnetized structures, could be imaged. In addition, in the 2nd row from the top, a completely demagnetized circle and a rectangle with a division into two domains can be seen. These structures have both positive and negative magnetized areas, which are separated by a domain wall. To investigate this in more detail a 2-dimensional measurement of the divided regions was made with a step size of 2.5 μm. These images confirm the division of the structures into positive and negative domains, separated by a domain wall, which was verified by Kerr-microscope measurements. Both data show a similar course of the domains and the domain wall. However, to be able to examine the domain wall more precisely using 2-dimensional THz spectroscopy, the resolution of the system must be improved to a range of a few nm, because the expected domain wall width is between 𝑙𝑊 = 12.56 nm and 𝑙𝑊 = 125.6 nm. The improved resolution would make it possible to image foreign objects, such as microplastics in biological cells or tissue. For this purpose, different plastics, such as polypropylene, polyethylene, and polystyrene, were investigated in the THz frequency range up to 4 THz. While no specific absorption could be determined for PP, characteristic absorption peaks were found for PE and PS. The energy of the photons with a frequency of about 2.2 THz excites lattice vibrations in the PE. Therefore, this frequency is specifically absorbed, and the intensity in the transmission spectrum is lower than for other frequencies. PS absorbs especially THz radiation with a frequency of 3.2 THz. In addition, all of the investigated plastics are mostly transparent for THz radiation, which makes imaging of these materials feasible. Based on these basic properties, it will be possible to image and identify these types of plastic.

The recent advent of quantum cascade lasers (QCLs) enables room-temperature mid-infrared spectrometer operation which is particularly favourable for industrial process monitoring and control, i.e. the detection of transient and stable molecular species. Conversely, fluorocarbon containing radio-frequency discharges are of special interest for plasma etching and deposition as well as for fundamental studies on gas phase and plasma surface reactions. The application of QCL absorption spectroscopy to such low pressure plasmas is typically hampered by non-linear effects connected with the pulsed mode of the lasers. Nevertheless, adequate calibration can eliminate such effects, especially in the case of complex spectra where single line parameters are not available. In order to facilitate measurements in fluorocarbon plasmas, studies on complex spectra of CF4 and C3F8 at 7.86 μm (1269 – 1275 cm-1) under low pressure conditions have been performed. The intra-pulse mode, i.e. pulses of up to 300 ns, was applied yielding highly resolved spectral scans of ∼ 1 cm-1 coverage. Effective absorption cross sections were determined and their temperature dependence was studied in the relevant range up to 400 K and found to be non-negligible.

We present a Green's function based treatment of the effects of electron-phonon coupling on transport through a molecular quantum dot in the quantum limit. Thereby we combine an incomplete variational Lang-Firsov approach with a perturbative calculation of the electron-phonon self energy in the framework of generalised Matsubara Green functions and a Landauer-type transport description. Calculating the ground-state energy, the dot single-particle spectral function and the linear conductance at finite carrier density, we study the low-temperature transport properties of the vibrating quantum dot sandwiched between metallic leads in the whole electron-phonon coupling strength regime. We discuss corrections to the concept of an anti-adiabatic dot polaron and show how a deformable quantum dot can act as a molecular switch.