Dissertations / Theses on the topic 'Chemischer Transport'

In Topologischen Isolatoren (TI) werden metallische Zustände an der Oberfläche beobachtet, während die entsprechenden Volumenzustände eine Bandlücke aufweisen. Der Volumenbeitrag zur Leitfähigkeit von TI-Materialien macht eine Synthese von Nanokristallen bzw. eine Dotierung nötig. Der Fokus der Untersuchungen dieser Arbeit liegt dabei auf der Erzeugung von Nanokristallen der TI-Materialien Bi2Te3- und Bi2Te2Se sowie dotierter Bi2Se3-Nanokristallen. Die Synthese der Nanokristalle erfolgte durch den Gasphasentransport im geschlossenen System über den Mechanismus einer Zersetzungssublimation bzw. unter dem Einsatz eines Transportmittels. Für eine erfolgreiche Erzeugung der Nanokristalle sind im Vorfeld thermodynamische Modellierungen des Gasphasentransports sowie Versuche zum chemischen Transport für die quasibinären Systeme Bi2Se3-Bi2Te3, Bi2Se3-Sb2Se3 und Bi2Se3-FeSe sowie für das ternäre System Mn-Bi-Se durchgeführt worden. Durch Versuche zum chemischen Transport konnten die Aussagen der Modellierung bestätigt und im Weiteren der Dotandengehalt in den abgeschiedenen Kristallen sowie der Einlagerungsmechanismus durch Ergebnisse aus XRD- und ICP-OES-Untersuchungen beschrieben werden. Die Synthese bzw. Dotierung der Nanokristalle wurde hauptsächlich durch die Transportrate und den Dampfdruck des Dotanden bestimmt. In den Systemen Bi2Se3-Bi2Te3 und Bi2Se3-Sb2Se3 ist ein Gasphasentransport über eine Zersetzungssublimation durchführbar und resultierte in einer erfolgreichen Darstellung von Bi2Te3- und Bi2Te2Se-Nanokristallen sowie von dotierten (SbxBi1-x)2Se3-Nanokristallen. Entgegen dessen erfolgte der Gasphasentransport in den Systemen Bi2Se3-FeSe und Mn-Bi-Se unter Verwendung eines Transportmittels. Hierbei verringerten die gesteigerten Transportraten das Wachtum von Nanokristallen. Im Weiteren gelang es dotierte (Fe,Mn)xBi2-xSe3-Volumenkristalle sowie MnBi2Se4-Einkristalle darzustellen und mittels XRD, ICP-OES, magnetischer Messungen sowie elektrischem Transport zu charakterisieren.

Ziel dieser Arbeit war es, Beziehungen zwischen den kristallchemischen Eigenschaften und dem beobachteten anomalen Verhalten im spezifischen elektrischen Widerstand (nicht-magnetischer Kondo-Effekt) aufzuzeigen und zusammenhängend zu interpretieren. Verbindungen, an denen dieser Effekt beobachtet wurde, werden aus einem Übergangs-, oder Actinidmetall mit je einem Vertreter der 15. (Pniktogene) und 16. Gruppe (Chalkogene) des Periodensystems gebildet und kristallisieren im PbFCl-Strukturtyp. Da zu ternären Actinidmetall-Pniktid-Chalkogeniden (z.B. ThAsSe, UPS) nur sehr wenige chemische und kristallographische Informationen existieren, wurden in dieser Arbeit umfassende Untersuchungen zur Kristallchemie ternärer Phasen aus den Systemen M-Pn-Q (M = Zr, Hf, La-Ce; Pn = As, Sb; Q = Se, Te durchgeführt. Der Schwerpunkt lag dabei auf der strukturellen Lokalisierung der beobachteten Widerstandsanomalie und der Erarbeitung chemisch-physikalischer Eigenschaftsbeziehungen. Die Darstellung der untersuchten ternären Phasen in Form von Einkristallen gelang über exothermen Chemischen Transport mit Jod. Da die erhaltenen Kristalle bis zu mehreren Millimetern groß sind, konnten an ein und demselben Kristallindividuum sowohl die stoffliche Charakterisierung (EDXS, WDXS, ICP-OES, LA-ICP-MS, CIC) und die strukturelle Charakterisierung, als auch die Messung der physikalischen Eigenschaften erfolgen. Es konnte u.a. gezeigt werden, dass ZrAs1,4Se0,5 und HfAs1,7Se0,2 ein ähnlich ungewöhnliches Verhalten im temperaturabhängigen elektrischen Widerstand zeigen, welches bereits an Thorium-Arsenid-Seleniden und Uran-Phosphid-Sulfiden beobachtet wurde. Desweiteren gelang es den beobachteten Verlauf im elektrischen Widerstand, mit seinem Minium bei etwa T = 15 K, auf intrinsische strukturelle Merkmale in der anionischen Arsen-Teilstruktur zurückzuführen
The aim of this work was, to evaluate and interpret a relationship between the crystal-chemical properties and the observed unusual behavior in the electrical resistivity (non-magnetic Kondo-effect). Compounds, which show such an effect, are formed by a transition- or actinide-metal with both a group 15 element and a group 16 element of the periodic table. All these compounds crystallizing in the PbFCl type of structure. Because of less crystallographic and chemical information about actinide-metal-pnictide-chalcogenides (i.e. ThAsSe, UPS), intensive investigation were made concerning the crystal-chemistry of ternary phases of the systems M-Pn-Q (M = Zr, Hf, La-Ce; Pn = As, Sb; Q = Se, Te. Our studies were focused on the structurally localization of the observed anomaly in the electrical resistivity and the evaluation of chemical-physical relations of properties. The synthesis of the investigated ternary phases was realized by exothermically Chemical Transport with iodine as transport agent. The dimension of the synthesized crystals allowed a chemical (EDXS, WDXS, ICP-OES, LA-ICP-MS, CIC) and structurally characterization, as well as a determination of the physical properties on one large single crystal. It could be shown, that ZrAs1,4Se0,5 and HfAs1,7Se0,2 reveal a similar unusual behavior in the temperature dependent electrical resistivity, as it was observed in thorium-arsenide-selenides and uranium-phosphide-sulphides. In conclusion, the non-magnetic Kondo-effect, which was found in the low-temperature range (about 15 K), arises from structurally features of the anionic sublattice with arsenic

Die ternären Systeme Ti/P/Te, Ce/P/Te und Si/P/Te wurden in der vorliegenden Dissertation hinsichtlich der Existenz neuer Verbindungen untersucht. Diese Verbindungen wurden insbesondere in Bezug auf ihre thermochemischen Eigenschaften charakterisiert. Durch Kombination von experimentellen Untersuchungen und thermodynamischen Modellierungen der ablaufenden Festkörper-Gasphasen-Gleichgewichte konnten die Synthesen der neuen Verbindungen optimiert werden. Abschließend erfolgte zudem die physikalische und kristallographische Charakterisierung der gefundenen Phosphidtelluride.

Die Planung von Festkörpersynthesen schließt neben einer sinnvollen Aufteilung der zu untersuchenden Bereiche der Zusammensetzung xi auch eine fundierte Abschätzung der zu erwartenden Existenzbereiche (p, T)x der neuen Phasen ein. Die Form der Darstellung der Phasengleichgewichte in Zustandsbarogrammen folgt aus den thermodynamischen Beziehungen der betreffenden Gasphasenreaktionen (Kp G(T)) als lg(p) - 1/T - Diagramm. Für einfache Konstitutionstypen von Zustandsdiagrammen und –barogrammen wurde eine zusammenfassende Darstellung gegeben. Neben der Abhängigkeit der Existenz von Festkörpern von deren Gesamtdruck können sich wesentliche Bedingungen der Phasenbildung aus dem Partialdruckverhalten der Komponenten ergeben. Für eine phasenreine Darstellung von Oxiden erweist sich entsprechend die Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks p(O2) als essentiell. Zur globalen Einordnung der Existenzbereiche (p(O2), T) bzw. der abgeleiteten Redox-Potentiale oxidischer Festkörper wurde das Konzept einer elektrochemischen Spannungsreihe für Festkörper entwickelt. Auf der Grundlage dieser Prinzipien und mit der Anschaulichkeit der Diagramme der Spannungsreihe lassen sich die Redoxgleichgewichte von Festkörperreaktionen beliebiger Kombination der Elemente M und M’ in einfacher Weise abschätzen. Über die Prinzipien druckabhängiger Gleichgewichtsbeziehungen zwischen kondensierten Bodenkörpern und der Gasphase in einem Gleichgewichtsraum hinaus wurden auch die Mechanismen von Bodenkörper-Gasphasen-Gleichgewichten zwischen zwei miteinander verbundenen Gleichgewichtsräumen untersucht. Neben den bekannten Erscheinungen der Sublimation und Zersetzungssublimation wurde ein neuer Reaktionsmechanismus des Chemischen Transports mit theoretischen Hintergründen, thermodynamischen Modellierungen und experimentellen Beispielen als Auto- oder Selbsttransport beschrieben
The planning of solid-state synthesis includes beside the areas of composition x a thorough assessment of the existence ranges (p, T) of the new phases. The form of presentation of the phase equilibria in phase barograms follows from the thermodynamic relations of the gas-phase reactions (Kp, G(T)) as a lg(p) - 1/T - diagram. For simple constitution types of phase diagrams and barograms a summary was presented. Apart from the dependence of the existence of solids from the total pressure essential conditions of the phase formation can be deduced from the partial pressure behaviour of the components. The oxygen partial pressure p(O2) is accordingly essential for the formation of phase pure oxides. For global classification of the existence ranges (p(O2), T) and the derived redox potentials of oxidic solids, the concept of an electromotive series for solids has been originated. On the basis of these principles, and with the clarity of the diagrams of the voltage range the redox balance of solid state reactions of any combination of elements M and M' in a simple way is to estimate. In addition to the principles of pressure equilibria between condensed materials and the gas phase in only one equilibrium range the mechanisms of solid - gas equilibria between two interconnected ranges were also described. Besides the well-known phenomena of sublimation and decomposition sublimation a new reaction mechanism of the chemical transport was evaluated as an Auto- or Selftransport with theoretical backgrounds, thermodynamic modelling and experimental examples

Die ternären Systeme Ti/P/Te, Ce/P/Te und Si/P/Te wurden in der vorliegenden Dissertation hinsichtlich der Existenz neuer Verbindungen untersucht. Diese Verbindungen wurden insbesondere in Bezug auf ihre thermochemischen Eigenschaften charakterisiert. Durch Kombination von experimentellen Untersuchungen und thermodynamischen Modellierungen der ablaufenden Festkörper-Gasphasen-Gleichgewichte konnten die Synthesen der neuen Verbindungen optimiert werden. Abschließend erfolgte zudem die physikalische und kristallographische Charakterisierung der gefundenen Phosphidtelluride.

Die Planung von Festkörpersynthesen schließt neben einer sinnvollen Aufteilung der zu untersuchenden Bereiche der Zusammensetzung xi auch eine fundierte Abschätzung der zu erwartenden Existenzbereiche (p, T)x der neuen Phasen ein. Die Form der Darstellung der Phasengleichgewichte in Zustandsbarogrammen folgt aus den thermodynamischen Beziehungen der betreffenden Gasphasenreaktionen (Kp G(T)) als lg(p) - 1/T - Diagramm. Für einfache Konstitutionstypen von Zustandsdiagrammen und –barogrammen wurde eine zusammenfassende Darstellung gegeben. Neben der Abhängigkeit der Existenz von Festkörpern von deren Gesamtdruck können sich wesentliche Bedingungen der Phasenbildung aus dem Partialdruckverhalten der Komponenten ergeben. Für eine phasenreine Darstellung von Oxiden erweist sich entsprechend die Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks p(O2) als essentiell. Zur globalen Einordnung der Existenzbereiche (p(O2), T) bzw. der abgeleiteten Redox-Potentiale oxidischer Festkörper wurde das Konzept einer elektrochemischen Spannungsreihe für Festkörper entwickelt. Auf der Grundlage dieser Prinzipien und mit der Anschaulichkeit der Diagramme der Spannungsreihe lassen sich die Redoxgleichgewichte von Festkörperreaktionen beliebiger Kombination der Elemente M und M’ in einfacher Weise abschätzen. Über die Prinzipien druckabhängiger Gleichgewichtsbeziehungen zwischen kondensierten Bodenkörpern und der Gasphase in einem Gleichgewichtsraum hinaus wurden auch die Mechanismen von Bodenkörper-Gasphasen-Gleichgewichten zwischen zwei miteinander verbundenen Gleichgewichtsräumen untersucht. Neben den bekannten Erscheinungen der Sublimation und Zersetzungssublimation wurde ein neuer Reaktionsmechanismus des Chemischen Transports mit theoretischen Hintergründen, thermodynamischen Modellierungen und experimentellen Beispielen als Auto- oder Selbsttransport beschrieben.
The planning of solid-state synthesis includes beside the areas of composition x a thorough assessment of the existence ranges (p, T) of the new phases. The form of presentation of the phase equilibria in phase barograms follows from the thermodynamic relations of the gas-phase reactions (Kp, G(T)) as a lg(p) - 1/T - diagram. For simple constitution types of phase diagrams and barograms a summary was presented. Apart from the dependence of the existence of solids from the total pressure essential conditions of the phase formation can be deduced from the partial pressure behaviour of the components. The oxygen partial pressure p(O2) is accordingly essential for the formation of phase pure oxides. For global classification of the existence ranges (p(O2), T) and the derived redox potentials of oxidic solids, the concept of an electromotive series for solids has been originated. On the basis of these principles, and with the clarity of the diagrams of the voltage range the redox balance of solid state reactions of any combination of elements M and M' in a simple way is to estimate. In addition to the principles of pressure equilibria between condensed materials and the gas phase in only one equilibrium range the mechanisms of solid - gas equilibria between two interconnected ranges were also described. Besides the well-known phenomena of sublimation and decomposition sublimation a new reaction mechanism of the chemical transport was evaluated as an Auto- or Selftransport with theoretical backgrounds, thermodynamic modelling and experimental examples.

Das Phasendiagramm Sn - Mo - O wurde für 500°C und 1000°C experimentell abgeleitet. Als ternäre Phasen konnten SnMo2O8 und Sn1-xMo4-yO6-2y dargestellt werden. Die Phasen SnMo5O8 und Sn4,4Mo24O38 konnten unterhalb von 1000°C nicht dargestellt werden. Die Phase SnMo2O8 wurde über Festkörper - Gasphasenreaktion einkristallin dargestellt und auf ihr thermisches Verhalten untersucht. Anhand dieser Untersuchungen konnte das Phasendiagramm SnO2 - MoO3 abgeleitet werden. An dieser Phase wurden Einkristall-untersuchungen durchgeführt. Die Struktur der Phase SnMo2O8 wurde in der Raumgruppe Pa (a = 8,967 Å) gelöst. Die Zinnatome besetzen die Flächen - und Kantenmitten der Elementarzelle. Die Lage der Molybdän - und Sauerstoffpositionen kann über ein Fehlordnungsmodell beschrieben werden. Die Phase Sn1-xMo4-yO6-2y konnte über chemischen Transport mit Wasser einkristallin hergestellt werden. Einkristalluntersuchungen bestätigten eine Überstruktur zur NaMo4O6 - Struktur. Die Phase weist mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Unterstöchiometrie im Zinngehalt, sowie im Molybdän - bzw. Sauerstoffgehalt auf. Diese Tatsache konnte durch Mößbaueruntersuchungen am Pulver von Sn1-xMo4-yO6-2y bestätigt werden. Eine Lösung der Struktur von Sn1-xMo4-yO6-2y war bisher nicht möglich. Die thermodynamischen Daten der Phasen SnMo2O8 und SnMo4O6 (vereinfacht für Sn1-xMo4-yO6-2y) konnten theoretisch abgeleitet werden. Das Zustandsdiagramm Sn - Mo - O wurde berechnet. Die Überprüfung der Daten erfolgte durch die Berechnung der Bodenkörper - Gasphasengleichgewichte mit dem Programm TRAGMIN. Mit den abgeleiteten Daten wurden Berechnungen zum chemischen Transportverhalten durchgeführt. Dabei wurde gefunden, dass sich die Phase Sn1-xMo4-yO6-2y über chemischen Transport abscheiden lässt. Das Phasendiagramm Pb - Mo - O wurde bis 1000°C experimentell abgeleitet. Die Phasen PbMoO4 und Pb2MoO5 konnten als einphasige Pulver hergestellt werden. Die Phase Pb0,75Mo4O6 konnte über chemischen Transport einkristallin abgeschieden werden. Beim Erhitzen auf 1250°C wurde die Zersetzung dieser Phase in die Phase PbMo5O8 und Mo beobachtet. Die thermodynamischen Daten der Phasen PbMoO4, Pb2MoO5, Pb5MoO8 und Pb0,75Mo4O6 konnten theoretisch abgeleitet werden. Das Zustandsdiagramm Pb - Mo - O wurde berechnet. Im Verlauf der Rechnungen wurde das Zustandsdiagramm PbO - MoO3 mit dem Programm CHEMSAGE berechnet und mit den Literaturdaten verglichen. Die Überprüfung der Daten erfolgte durch die Berechnung der Bodenkörper - Gasphasengleichgewichte mit dem Programm TRAGMIN. Mit den abgeleiteten Daten wurden Berechnungen zum chemischen Transportverhalten durchgeführt. Dabei wurde gefunden, dass sich die Phase Pb0,75Mo4O6 über chemischen Transport abscheiden lässt. Das Phasendiagramm Sb - Mo - O wurde bei 500°C bzw. 700°C experimentell abgeleitet. Im System existieren die Phasen Sb2MoO6 und Sb2Mo10O31. Sb2Mo10O31 konnte einphasig als Pulver hergestellt werden. Die Existenz einer Phase mit der Zusammensetzung Sb4Mo10O31 konnte nicht bestätigt werden. Es wurden Hinweise auf eine dritte ternäre Phase im System Sb - Mo - O gefunden. Die Phasen Sb2MoO6 und Sb2Mo10O31 konnten über chemischen Transport einkristallin dargestellt werden. Mößbaueruntersuchungen an Sb2Mo10O31 ergaben, dass in der Verbindung ausschliesslich dreiwertiges Sb vorliegt und somit Mo gemischtvalent sein muss. Die thermodynamischen Daten der Phasen Sb2MoO6 und Sb2Mo10O31 konnten theoretisch abgeleitet werden. Das Zustandsdiagramm Sb - Mo - O wurde berechnet. Die Überprüfung der Daten erfolgte durch die Berechnung der Bodenkörper - Gasphasengleichgewichte mit dem Programm TRAGMIN. Mit den abgeleiteten Daten wurden Berechnungen zum chemischen Transportverhalten durchgeführt. Dabei wurde gefunden, dass sich beide ternäre Phasen über chemischen Transport abscheiden lassen.

This thesis comprises detailed experimental and theoretical investigations of the transport properties of one-dimensional nanostructures. Most of the work is dedicated to the exploration of the fascinating effects occurring in single wall carbon nanotubes (SWCNT). These particular nanostructures gained an overwhelming interest in the past two decades due to its outstanding electronic and mechanical features. We have investigated the properties of a novel family of carbon nanostructures, named here as Y-shaped rings. The studies show that they present very interesting quantum interference effects. A high structural stability under tensile strain and elevated temperatures is observed. Within the semi-classical potential adopted, the critical strain values of structure rupture lie in the same range of their pristine SWCNT counterparts. This is directly verified by the first observations of these ring-like structures in a transmission electron microscopy. A merging process of asymmetric into symmetric rings is investigated in-situ under electron beam irradiation at high temperatures. The electronic properties of these systems are theoretically studied using Monte Carlo simulations and environment dependent tight-binding calculations. From our results, we address the possibility of double-slit like interference processes of counter-propagating electron waves in the ring-like structures. The nature of well defined, sharp peaks in the density of states are determined as the discrete eigenenergies of the central loop part. Furthermore, the formation and dispersion of standing waves inside the ring is shown to originate from the quantum-dot like confinement of each branch between the leads. The obtained dispersion relation is shown to be the same occurring in purely one-dimensional quantum dots of similar geometries. Furthermore, Fabry-Perot-like interferences are observed. We established at the IFW a bottom-up processing route to fabricate nanotube based electronic devices. The SWCNTs are grown by chemical vapor deposition and we present a detailed study of the different approaches to obtain individual nanotubes suitable for a successful integration into electronic devices. Wet-chemistry and ultra-thin films as well as ferritin were employed as catalyst particles in the growth of SWCNT samples. By adjusting the optimized process parameters, we can control the obtained yield from thick nanotube forests down to just a couple of free-standing individual SWCNTs. The nanotubes are localized, contacted by standard e-beam lithography and characterized at ambient- as well as liquid helium temperatures. We usually obtain quite transparent contacts and the devices exhibit metallic or a mixed metallic/semiconducting behavior. The well-known memory effect upon gate voltage sweeping as well as single electron tunneling in the Coulomb blockade regime are addressed.

With the advent of microelectronics and micromechanical systems, the benefits of miniaturized technology became evident. With the discovery of carbon nanotubes by Iijima in 1991, a material has been found that offers superior porperties such as high tensile strength, excellent electrical and heat conductivity while being lightweight, flexible and tunable by the specific atomic arrangement in its structure. The first part of this thesis deals with a new synthesis approach, which combines the known routes of chemical vapour deposition and laser ablation. The results concerning diameter and yield fit well within an established model for the nucleation and growth of carbon nanotubes and extend it by considering a larger parameter space. Furthermore, conventional laser ablation has been used to synthesize C-13 augmented carbon nanotubes, whose diameters depend among the usual synthesis parameters also on the C-13 content, an influence which is in line with the changed thermal conductivities of isotope mixtures. Manipulation of carbon nanotubes inside a transmission electron microscope forms the second part of this thesis. With the help of an in-situ nanomanipulator, several experiments involving the mechanical and electrical properties of carbon nanotubes have been performed. Two-probe resistances of individual nanotubes have been measured and the observation of individual shell failures allowed for the determination of current limits per carbon shell. With the help of electrical current, a nanotube was modified in its electrical characteristics by reshaping its structure. By application of DC-currents or square current pulses, the filling of iron- or cementite-filled multi-wall carbon nanotubes has been found to move in a polarity-defined direction guided by the nanotube walls. Depending on the current, nanotube shape, and composition of the filling different regimes of material transport have been identified, including the reworking of the inner nanotube shells. The application of a high driving current leads to a complete reworking of the host nanotube and the current-induced growth of carbonaceous nanostructures of changed morphology. Utilizing the obtained results, a transport mechanism involving momentum transfer from the electron wind to the filling atoms and a solid filling core during transport is developed and discussed. Finally, measurements of mechanical properties using electrically induced resonant or non-resonant vibrations inside the transmission electron microscope have been observed and important mechanical parameters have been determined with the help of a modified Euler-Bernoulli-beam approach
Mit dem Aufkommen von Mikroelektronik und mikromechanischen Systemen wurden die Vorteile miniaturisierter Geräte augenscheinlich. Mit der Entdeckung von Kohlenstoff-Nanoröhren durch Iijima 1991 wurde ein Material gefunden, welches überlegene Eigenschaften wie hohe Festigkeit, exzellente elektrische und Wärmeleitfähigkeit zeigt, während es zeitgleich leicht und flexibel ist. Diese Eigentschaften können durch eine Änderung der spezifischen atomaren Anordnung in der Nanoröhrenhülle beeinflusst werden. Der erste Teil dieser Dissertationsschrift behandelt einen neuartigen Syntheseansatz, welche die bekannten Syntheserouten der chemischen Gasphasenabscheidung und Laserablation kombiniert. Die Ergebnisse bezüglich des Durchmessers und der Ausbeute lassen sich gut mit einem etablierten Modell der Nukleation und des Wachstums von Kohlenstoff-Nanoröhren beschreiben - sie erweitern es, indem sie einen größeren Parameterraum berücksichtigen. Des Weiteren wurde konventionelle Laserablation benutzt, um C-13 angereicherte Kohlenstoff-Nanoröhren herzustellen, deren Durchmesser nicht nur von den üblichen Parametern, sondern auch vom C-13 Anteil abhängt. Diese Abhängigkeit geht mit der veränderten thermischen Leitfähigkeit von Isotopenmischungen einher. Die Manipulation von Kohlenstoff-Nanoröhren in einem Transmission-Elektronenmikroskop formt den zweiten Teil der Dissertationschrift. Mit Hilfe eines in-situ Manipulators wurden vielfältige Experimente durchgeführt, um die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhren zu bestimmen. Zweipunktmessungen des Widerstands einzelner Nanoröhren und die Beobachtung des Versagens einzelner Kohlenstoffschichten erlaubte die Bestimmung der Stromtragfähigkeit einzelner Hüllen. Mit Hilfe eines elektrischen Stromes konnte eine Nanoröhre durch die veränderung der Struktur in ihren elektrischen Eigenschaften verändert werden. Unter Verwendung dauerhaften oder gepulsten Gleichstroms konnte die Eisen- oder Zementit-Füllung der Kohlenstoff-Nanoröhren in eine polaritätsabhängige Richtung bewegt werden. Die Füllung wurde dabei durch die Wände der Nanoröhre geführt. Abhängig von Strom, Form der Nanoröhre und Zusammensetzung der Füllung ließen sich verschiedene Bereiche des Materialtransports identifizieren, u.a. das Umarbeiten einiger innerer Kohlenstoffschichten. Ein hoher Strom hingegen bewirkt eine Umarbeitung der kompletten Nanoröhre und strominduziertes Wachstum von Kohlenstoff-Nanostrukturen mit veränderter Morphologie. Mit Hilfe der gewonnenen Resultate wurde ein Transportmodell entwickelt, welches den Impulstransfer von Elektronen an Füllungsatome sowie einen festen Füllungskern während des Transports diskutiert. Messungen der mechanischen Eigenschaften, welche mit Hilfe von resonanter oder nicht-resonanter elektrischer Anregung von Schwingungen im Transmissions-Elektronenmikroskop durchgeführt wurden bilden den Abschluss der Arbeit. Durch die Beobachtungen konnten mit einem modifizierten Euler-Bernoulli-Balkenmodell wichtige mechanische Eigenschaften bestimmt werden

We performed an in-depth study of high molecular weight poly[3,6-(dithiophene-2-yl)-2,5-di(2-octyldodecyl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione-alt-thieno[3,2-b]thiophene] P(DPP2OD-TT) synthesized through the Stille coupling polycondensation in order to understand the correlation between molecular weight, processing conditions and charge transport. We observed a rapid increase in its aggregation in solution with increasing molecular weight which strongly limits the solubility and processability for weight average molecular weights beyond 200 kg mol⁻¹. This results in severe limitation in the charge transport properties of the polymer. We further observe the presence of bulk electronic defects in all different polymer batches that severely limit the current flow and manifest themselves in organic field effect transistors as apparent charge density dependence of the mobility. These defects are passivated by exposure to an ambient atmosphere, as confirmed by an increase in current and mobility that is no more charge density dependent. This is further confirmed by the result of chemical doping using 2,2-(perfluoronaphthalene-2,6-diylidene)dimalononitrile, F₆TCNNQ, which leads to the filling of the trap states and a higher charge density independent mobility of up to 1 cm2 V⁻¹ s⁻¹.

Bibliografische Beschreibung, Referat und Schlagwörter M.S. Chem. Ing. Sung Gook Park Thema: Organic Modified GaAs Schottky Contacts Einreichungsdatum: 28. September 2001 Im Rahmen dieser Arbeit wurden organische Halbleitermaterialien verwendet, um damit die Transporteigenschaften von Metal/GaAs(100) Schottky-Kontakten zu kontrollieren. Ziel ist es, Strom-Spannungs- (J-V) und Kapazitäts-Spannungs-Kennenlien (C-V) zu verstehen. Zur chemischen und elektronischen Charakterisierung der GaAs(100)-Oberflächen, organische Molekül/GaAs(100)-Grenzflächen und der Metall/organische Molekül-Grenzflächen wurden die Photoelektronenspektroskopie (PES) und Nahkantenröntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) eingesetzt. Verschiedene GaAs(100)-Oberflächen, wie die reine GaAs(100)-c(4x4)-, die Wasserstoff-Plasma behandelte GaAs(100)- und die chalkogenpassivierte GaAs-Oberflächen, wurden als Substrate für die organische Molekularstrahldeposition (OMBD) verwendet. In der Arbeit wird der Einfluss der chemischen und elektronischen Eigenschaften dieser Substratoberflächen auf das Wachstum von organischen Molekülen auf deren Oberflächen untersucht. 3,4,9,10-Perylentetracarboxylic Dianhydrid (PTCDA) und Dimethyl-3,4,9,10-Perylentetracarboxyl Diimid wurden zur organischen Modifizierung von Metall/GaAs(100)-Schottky-Kontakten verwendet. Die organischen Moleküle werden anfänglich an Defekten der GaAs(100)-Oberflächen adsorbiert. Die Adsorption an Defekten führt zu einer Reduktion der inhomogenen Bandverbiegung der GaAs(100)-Oberfläche. Aus den PES-Spektren wurden Energiebanddiagramme für organische Schicht/GaAs(100)-Grenzflächen und Metall/organische Grenzflächen abgeleitet. Entsprechend der relativen energetischen Lagen des Leitungsbandminimums von GaAs(100)-Oberflächen und des niedrigsten unbesetzten Molekülorbitals der organischen Schichten werden Interfacedipole ausgebildet. Die Verwendung von anorganischen Substraten mit systematisch variierender Elektronenaffinität (EA) stellt eine neue Methode zur Bestimmung des Transportniveaus von Elektronen in der organischen Schicht dar. Bei Einfügung von dünnen PTCDA-Schichten zwischen Ag-Elektrode und GaAs(100)-Oberfläche, wurde beobachtet, dass die J-V-Kennlinien in Abhängigkeit von der Dicke der organischen Schicht und der Behandlung der GaAs-Oberflächen systematisch variierte. Dieses Verhalten kann unter Verwendung des Energieniveaudiagramms, das mittels PES bestimmt wurde, und durch eine Barrierenerniedrigung infolge von Bildkräften gut erklärt werden. Durch die Kombination von Oberflächenbehandlung und Einfügen einer dünnen definierten organischen Schicht kann die effektive Barrierenhöhe in einem breiten Bereich verändert, d. h. letztendlich definiert eingestellt und kontrolliert werden. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, die Leistungsaufnahme von GaAs-Schottky-Kontakten zu reduzieren. Organische Moleküle, Organische Molekularstrahldeposition (OMBD), GaAs(100), Metall/Hableiter- Schottky-Kontakt, Photoemissionspektroskopie (PES), Nahkantenröntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS), Elektrische Messungen

(ULSI) causes an increase of the resistance of the wiring system by increased scattering of electrons at side walls and grain boundaries in the state of the art Cu technology, which increases the RC delay of the interconnect system and thus degrades the performance of the device. The outstanding properties of carbon nanotubes (CNT) such as a large mean free path, a high thermal conductance and a large resistance against electromigration make them an ideal candidate to replace Cu in future feature nodes. The present thesis contributes to the preparation and properties of CNT based vertical interconnections (vias). In addition, all processes applied during the fabrication are compatible to ULSI and an interface between CNT based vias and a Cu metallization is studied. The methodology for the evaluation of CNT based vias is improved; it is highlighted that by measuring the resistance of one multiwall CNT and taking into account the CNT density, the performance of the CNT based vias can be predicted accurately. This provides the means for a systematic evaluation of different integration procedures and materials. The lowest contact resistance is obtained for carbide forming metals, as long as oxidation during the integration is avoided. Even though metal-nitrides exhibit an enhanced contact resistance, they are recommended to be used at the bottom metallization in order to minimize the oxidation of the metal-CNT contact during subsequent processing steps. Overall a ranking for the materials from the lowest to the highest contact resistance is obtained: Ta < Ti < TaN < TiN « TiO2 « Ta2O5 Furthermore the impact of post CNT growth procedures as chemical mechanical planarization, HF treatment and annealing procedures after the CNT based via fabrication are evaluated. The conductance of the incorporated CNTs and the applicable electrical transport regime relative to the CNT quality and the CNT length is discussed. In addition, a strong correlation between the temperature coefficient of resistance and the initial resistance of the CNT based vias at room temperature has been observed
Die kontinuierliche Miniaturisierung der charakteristischen Abmessungen in hochintegrierten Schaltungen (ULSI) verursacht einen Anstieg des Widerstandes im Zuleitungssystem aufgrund der erhöhten Streuung von Elektronen an Seitenwänden und Korngrenzen in der Cu-Technologie, wodurch die Verzögerungszeit des Zuleitungssystems ansteigt. Die herausragenden Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren (CNT), wie eine große mittlere freie Weglänge, hohe thermische Leitfähigkeit und eine starke Resistenz gegenüber Elektromigration machen diese zu einem idealen Kandidaten, um Cu in zukünftigen Technologiegenerationen zu ersetzen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Herstellung und daraus resultierenden Eigenschaften von Zwischenebenenkontakten (Vias) basierend auf CNTs. Alle verwendeten Prozessierungsschritte sind kompatibel mit der Herstellung von hochintegrierten Schaltkreisen und eine Schnittstelle zwischen den CNT Vias und einer Cu-Metallisierung ist vorhanden. Insbesondere das Verfahren zur Evaluierung von CNT Vias wurde durch den Einsatz verschiedener Methoden verbessert. Insbesondere soll hervorgehoben werden, dass durch die Messung des Widerstandes eines einzelnen CNTs, bei bekannter CNT Dichte, der Via Widerstand sehr genau vorausgesagt werden kann. Dies ermöglicht eine systematische Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Prozessschritte und der darin verwendeten Materialien auf den Via Widerstand. Der niedrigste Kontaktwiderstand wird für Karbidformierende Metalle erreicht, solange Oxidationsprozesse ausgeschlossen werden können. Obwohl Metallnitride einen höheren Kontaktwiderstand aufweisen, sind diese für die Unterseitenmetallisierung zu empfehlen, da dadurch die Oxidation der leitfähigen Schicht minimiert wird. Insgesamt kann eine Reihenfolge beginnend mit dem niedrigsten zum höchsten Kontaktwiderstand aufgestellt werden: Ta < Ti < TaN < TiN « TiO2 « Ta2O5 Desweiteren wurde der Einfluss von Verfahren nach dem CNTWachstum wie die chemischmechanische Planarisierung, eine HF Behandlung und einer Temperaturbehandlung evaluiert, sowie deren Einfluss auf die elektrischen Parameter des Vias untersucht. Die Leitfähigkeit der integrierten CNTs und die daraus resultierenden elektrischen Transporteigenschaften in Abhängigkeit der CNT Qualität und Länge werden besprochen. Ebenso wird die starke Korrelation zwischen dem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes und des Ausgangswiderstandes der CNT basierten Vias bei Raumtemperatur diskutiert

(ULSI) causes an increase of the resistance of the wiring system by increased scattering of electrons at side walls and grain boundaries in the state of the art Cu technology, which increases the RC delay of the interconnect system and thus degrades the performance of the device. The outstanding properties of carbon nanotubes (CNT) such as a large mean free path, a high thermal conductance and a large resistance against electromigration make them an ideal candidate to replace Cu in future feature nodes. The present thesis contributes to the preparation and properties of CNT based vertical interconnections (vias). In addition, all processes applied during the fabrication are compatible to ULSI and an interface between CNT based vias and a Cu metallization is studied. The methodology for the evaluation of CNT based vias is improved; it is highlighted that by measuring the resistance of one multiwall CNT and taking into account the CNT density, the performance of the CNT based vias can be predicted accurately. This provides the means for a systematic evaluation of different integration procedures and materials. The lowest contact resistance is obtained for carbide forming metals, as long as oxidation during the integration is avoided. Even though metal-nitrides exhibit an enhanced contact resistance, they are recommended to be used at the bottom metallization in order to minimize the oxidation of the metal-CNT contact during subsequent processing steps. Overall a ranking for the materials from the lowest to the highest contact resistance is obtained: Ta < Ti < TaN < TiN « TiO2 « Ta2O5 Furthermore the impact of post CNT growth procedures as chemical mechanical planarization, HF treatment and annealing procedures after the CNT based via fabrication are evaluated. The conductance of the incorporated CNTs and the applicable electrical transport regime relative to the CNT quality and the CNT length is discussed. In addition, a strong correlation between the temperature coefficient of resistance and the initial resistance of the CNT based vias at room temperature has been observed.
Die kontinuierliche Miniaturisierung der charakteristischen Abmessungen in hochintegrierten Schaltungen (ULSI) verursacht einen Anstieg des Widerstandes im Zuleitungssystem aufgrund der erhöhten Streuung von Elektronen an Seitenwänden und Korngrenzen in der Cu-Technologie, wodurch die Verzögerungszeit des Zuleitungssystems ansteigt. Die herausragenden Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren (CNT), wie eine große mittlere freie Weglänge, hohe thermische Leitfähigkeit und eine starke Resistenz gegenüber Elektromigration machen diese zu einem idealen Kandidaten, um Cu in zukünftigen Technologiegenerationen zu ersetzen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Herstellung und daraus resultierenden Eigenschaften von Zwischenebenenkontakten (Vias) basierend auf CNTs. Alle verwendeten Prozessierungsschritte sind kompatibel mit der Herstellung von hochintegrierten Schaltkreisen und eine Schnittstelle zwischen den CNT Vias und einer Cu-Metallisierung ist vorhanden. Insbesondere das Verfahren zur Evaluierung von CNT Vias wurde durch den Einsatz verschiedener Methoden verbessert. Insbesondere soll hervorgehoben werden, dass durch die Messung des Widerstandes eines einzelnen CNTs, bei bekannter CNT Dichte, der Via Widerstand sehr genau vorausgesagt werden kann. Dies ermöglicht eine systematische Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Prozessschritte und der darin verwendeten Materialien auf den Via Widerstand. Der niedrigste Kontaktwiderstand wird für Karbidformierende Metalle erreicht, solange Oxidationsprozesse ausgeschlossen werden können. Obwohl Metallnitride einen höheren Kontaktwiderstand aufweisen, sind diese für die Unterseitenmetallisierung zu empfehlen, da dadurch die Oxidation der leitfähigen Schicht minimiert wird. Insgesamt kann eine Reihenfolge beginnend mit dem niedrigsten zum höchsten Kontaktwiderstand aufgestellt werden: Ta < Ti < TaN < TiN « TiO2 « Ta2O5 Desweiteren wurde der Einfluss von Verfahren nach dem CNTWachstum wie die chemischmechanische Planarisierung, eine HF Behandlung und einer Temperaturbehandlung evaluiert, sowie deren Einfluss auf die elektrischen Parameter des Vias untersucht. Die Leitfähigkeit der integrierten CNTs und die daraus resultierenden elektrischen Transporteigenschaften in Abhängigkeit der CNT Qualität und Länge werden besprochen. Ebenso wird die starke Korrelation zwischen dem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes und des Ausgangswiderstandes der CNT basierten Vias bei Raumtemperatur diskutiert.

In Topologischen Isolatoren (TI) werden metallische Zustände an der Oberfläche beobachtet, während die entsprechenden Volumenzustände eine Bandlücke aufweisen. Der Volumenbeitrag zur Leitfähigkeit von TI-Materialien macht eine Synthese von Nanokristallen bzw. eine Dotierung nötig. Der Fokus der Untersuchungen dieser Arbeit liegt dabei auf der Erzeugung von Nanokristallen der TI-Materialien Bi2Te3- und Bi2Te2Se sowie dotierter Bi2Se3-Nanokristallen. Die Synthese der Nanokristalle erfolgte durch den Gasphasentransport im geschlossenen System über den Mechanismus einer Zersetzungssublimation bzw. unter dem Einsatz eines Transportmittels. Für eine erfolgreiche Erzeugung der Nanokristalle sind im Vorfeld thermodynamische Modellierungen des Gasphasentransports sowie Versuche zum chemischen Transport für die quasibinären Systeme Bi2Se3-Bi2Te3, Bi2Se3-Sb2Se3 und Bi2Se3-FeSe sowie für das ternäre System Mn-Bi-Se durchgeführt worden. Durch Versuche zum chemischen Transport konnten die Aussagen der Modellierung bestätigt und im Weiteren der Dotandengehalt in den abgeschiedenen Kristallen sowie der Einlagerungsmechanismus durch Ergebnisse aus XRD- und ICP-OES-Untersuchungen beschrieben werden. Die Synthese bzw. Dotierung der Nanokristalle wurde hauptsächlich durch die Transportrate und den Dampfdruck des Dotanden bestimmt. In den Systemen Bi2Se3-Bi2Te3 und Bi2Se3-Sb2Se3 ist ein Gasphasentransport über eine Zersetzungssublimation durchführbar und resultierte in einer erfolgreichen Darstellung von Bi2Te3- und Bi2Te2Se-Nanokristallen sowie von dotierten (SbxBi1-x)2Se3-Nanokristallen. Entgegen dessen erfolgte der Gasphasentransport in den Systemen Bi2Se3-FeSe und Mn-Bi-Se unter Verwendung eines Transportmittels. Hierbei verringerten die gesteigerten Transportraten das Wachtum von Nanokristallen. Im Weiteren gelang es dotierte (Fe,Mn)xBi2-xSe3-Volumenkristalle sowie MnBi2Se4-Einkristalle darzustellen und mittels XRD, ICP-OES, magnetischer Messungen sowie elektrischem Transport zu charakterisieren.

With the advent of microelectronics and micromechanical systems, the benefits of miniaturized technology became evident. With the discovery of carbon nanotubes by Iijima in 1991, a material has been found that offers superior porperties such as high tensile strength, excellent electrical and heat conductivity while being lightweight, flexible and tunable by the specific atomic arrangement in its structure. The first part of this thesis deals with a new synthesis approach, which combines the known routes of chemical vapour deposition and laser ablation. The results concerning diameter and yield fit well within an established model for the nucleation and growth of carbon nanotubes and extend it by considering a larger parameter space. Furthermore, conventional laser ablation has been used to synthesize C-13 augmented carbon nanotubes, whose diameters depend among the usual synthesis parameters also on the C-13 content, an influence which is in line with the changed thermal conductivities of isotope mixtures. Manipulation of carbon nanotubes inside a transmission electron microscope forms the second part of this thesis. With the help of an in-situ nanomanipulator, several experiments involving the mechanical and electrical properties of carbon nanotubes have been performed. Two-probe resistances of individual nanotubes have been measured and the observation of individual shell failures allowed for the determination of current limits per carbon shell. With the help of electrical current, a nanotube was modified in its electrical characteristics by reshaping its structure. By application of DC-currents or square current pulses, the filling of iron- or cementite-filled multi-wall carbon nanotubes has been found to move in a polarity-defined direction guided by the nanotube walls. Depending on the current, nanotube shape, and composition of the filling different regimes of material transport have been identified, including the reworking of the inner nanotube shells. The application of a high driving current leads to a complete reworking of the host nanotube and the current-induced growth of carbonaceous nanostructures of changed morphology. Utilizing the obtained results, a transport mechanism involving momentum transfer from the electron wind to the filling atoms and a solid filling core during transport is developed and discussed. Finally, measurements of mechanical properties using electrically induced resonant or non-resonant vibrations inside the transmission electron microscope have been observed and important mechanical parameters have been determined with the help of a modified Euler-Bernoulli-beam approach.
Mit dem Aufkommen von Mikroelektronik und mikromechanischen Systemen wurden die Vorteile miniaturisierter Geräte augenscheinlich. Mit der Entdeckung von Kohlenstoff-Nanoröhren durch Iijima 1991 wurde ein Material gefunden, welches überlegene Eigenschaften wie hohe Festigkeit, exzellente elektrische und Wärmeleitfähigkeit zeigt, während es zeitgleich leicht und flexibel ist. Diese Eigentschaften können durch eine Änderung der spezifischen atomaren Anordnung in der Nanoröhrenhülle beeinflusst werden. Der erste Teil dieser Dissertationsschrift behandelt einen neuartigen Syntheseansatz, welche die bekannten Syntheserouten der chemischen Gasphasenabscheidung und Laserablation kombiniert. Die Ergebnisse bezüglich des Durchmessers und der Ausbeute lassen sich gut mit einem etablierten Modell der Nukleation und des Wachstums von Kohlenstoff-Nanoröhren beschreiben - sie erweitern es, indem sie einen größeren Parameterraum berücksichtigen. Des Weiteren wurde konventionelle Laserablation benutzt, um C-13 angereicherte Kohlenstoff-Nanoröhren herzustellen, deren Durchmesser nicht nur von den üblichen Parametern, sondern auch vom C-13 Anteil abhängt. Diese Abhängigkeit geht mit der veränderten thermischen Leitfähigkeit von Isotopenmischungen einher. Die Manipulation von Kohlenstoff-Nanoröhren in einem Transmission-Elektronenmikroskop formt den zweiten Teil der Dissertationschrift. Mit Hilfe eines in-situ Manipulators wurden vielfältige Experimente durchgeführt, um die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhren zu bestimmen. Zweipunktmessungen des Widerstands einzelner Nanoröhren und die Beobachtung des Versagens einzelner Kohlenstoffschichten erlaubte die Bestimmung der Stromtragfähigkeit einzelner Hüllen. Mit Hilfe eines elektrischen Stromes konnte eine Nanoröhre durch die veränderung der Struktur in ihren elektrischen Eigenschaften verändert werden. Unter Verwendung dauerhaften oder gepulsten Gleichstroms konnte die Eisen- oder Zementit-Füllung der Kohlenstoff-Nanoröhren in eine polaritätsabhängige Richtung bewegt werden. Die Füllung wurde dabei durch die Wände der Nanoröhre geführt. Abhängig von Strom, Form der Nanoröhre und Zusammensetzung der Füllung ließen sich verschiedene Bereiche des Materialtransports identifizieren, u.a. das Umarbeiten einiger innerer Kohlenstoffschichten. Ein hoher Strom hingegen bewirkt eine Umarbeitung der kompletten Nanoröhre und strominduziertes Wachstum von Kohlenstoff-Nanostrukturen mit veränderter Morphologie. Mit Hilfe der gewonnenen Resultate wurde ein Transportmodell entwickelt, welches den Impulstransfer von Elektronen an Füllungsatome sowie einen festen Füllungskern während des Transports diskutiert. Messungen der mechanischen Eigenschaften, welche mit Hilfe von resonanter oder nicht-resonanter elektrischer Anregung von Schwingungen im Transmissions-Elektronenmikroskop durchgeführt wurden bilden den Abschluss der Arbeit. Durch die Beobachtungen konnten mit einem modifizierten Euler-Bernoulli-Balkenmodell wichtige mechanische Eigenschaften bestimmt werden.

The docotoral thesis titled 'Modeling the effects of Transient Stream Flow on Solute Dynamics in Stream Banks and Intra-meander Zones' investigates flow and solute dynamcis across surface water-groundwater interface under dynamic flow conditons through numerical simulations. The abstract of the thesis is as follows: Waters from various sources meet at the interface between streams and groundwater. Due to their different origins, these waters often have contrasting chemical signatures and therefore mixing of water at the interface may lead to significant changes in both surface and subsurface water quality. The riparian zone adjacent to the stream serves as transition region between groundwater and stream water, where complex water and solute mixing and transport processes occur. Predicting the direction and the magnitude of solute exchanges and the extent of transformations within the riparian zone is challenging due to the varying hydrologic and chemical conditions as well as heterogeneous morphological features which result in complex, three-dimensional flow patterns. The direction of water flow and solute transport in the riparian zone typically varies over time as a result of fluctuating stream water and groundwater levels. Particularly, increasing groundwater levels can mobilize solutes from the unsaturated zone which can be subsequently transported into the stream. Such complex, spatially and temporally varying processes are hard to capture with field observations alone and therefore modeling approaches are required to predict the system behavior as well as to understand the role of individual factors. In this thesis, we investigate the inter-connectivity of streamthe s and adjacent riparia zones in the context of water and solute exchanges both laterally for bank storage and longitudinally for hyporheic flow through meander bends. Using numerical modeling, the transient effect of stream flow events on solute transport and transformation within the initially unsaturated part of stream banks and meander bends have been simulated using a systematic set of hydrological, chemical and morphological scenarios. A two dimensional variably saturated media groundwater modeling set up was used to explore solute dynamics during bank flows. We simulated exchanges between stream and adjacent riparian zone driven by stream stage fluctuations during stream discharge events. To elucidate the effect of magnitude and duration of discharge events, we developed a number of single discharge event scenarios with systematically varying peak heights and event duration. The dominant solute layer was represented by applying high solute concentration in upper unsaturated riparian zone profile. Simulated results show that bank flows generated by high stream flow events can trigger solute mobilization in near stream riparian soils and subsequently export significant amounts of solutes into the stream. The timing and amount of solute export is linked to the shape of the discharge event. Higher peaks and increased duration significantly enhance solute export, however, peak height is found to be the dominant control for overall lateral mass export. The mobilized solutes are transported towards the stream in two stages (1) by return flow of stream water that was stored in the riparian zone during the event and (2) by vertical movement to the groundwater under gravity drainage from the unsaturated parts of the riparian zone, which lasts for significantly longer time (> 400 days) resulting in a theoretically long tailing of bank outflows and solute mass outfluxes. Our bank flow simulations demonstrate that strong stream discharge events are likely to mobilize and export significant quantity of solutes from near stream riparian zones into the stream. Furthermore, the impact of short-term stream discharge variations on solute exchange may sustain for long times after the flow event. Meanders are prominent morphological features of stream systems which exhibit unique hydrodynamics. The water surface elevation difference across the inner bank of a meander induces lateral hyporheic exchange flow through the intrameander region, leading to solute transport and reactions within intra-meander region. We examine the impact of different meander geometries on the intra-meander hyporheic flow field and solute mobilization under both steady-state and transient flow conditions. In order to explore the impact of meander morphology on intrameander flow, a number of theoretical meander shape scenarios, representing various meander evolution stages, ranging from a typical initial to advanced stage (near cut off ) meander were developed. Three dimensional steady-state numerical groundwater flow simulations including the unsaturated zone were performed for the intra-meander region for all meander scenarios. The meandering stream was implemented in the model by adjusting the top layers of the modeling domain to the streambed elevation. Residence times for the intra-meander region were computed by advective particle tracking across the inner bank of meander. Selected steady state cases were extended to transient flow simulations to evaluate the impact of stream discharge events on the temporal behavior of the water exchange and solute transport in the intra-meander region. Transient hydraulic heads obtained from the surface water model were applied as transient head boundary conditions to the streambed cells of the groundwater model. Similar to the bank storage case, a high concentration of solute (carbon source) representing the dominant solute layer in the riparian profile was added in the unsaturated zone to evaluate the effect of stream flow event on mobilization and transport from the unsaturated part of intrameander region. Additionally, potential chemical reactions of aerobic respiration by the entry of oxygen rich surface water into subsurface as well denitrification due to stream and groundwater borne nitrates were also simulated. The results indicate that intra-meander mean residence times ranging from 18 to 61 days are influenced by meander geometry, as well as the size of the intra-meander area. We found that, intra-meander hydraulic gradient is the major control of RTs. In general, larger intra-meander areas lead to longer flow paths and higher mean intra-meander residence times (MRTs), whereas increased meander sinuosity results in shorter MRTs. The vertical extent of hyporheic flow paths generally decreases with increasing sinuosity. Transient modeling of hyporheic flow through meanders reveals that large stream flow events mobilize solutes from the unsaturated portion of intra-meander region leading to consequent transport into the stream via hyporheic flow. Advective solute transport dominates during the flow event; however significant amount of carbon is also consumed by aerobic respiration and denitrification. These reactions continue after the flow events depending upon the availability of carbon source. The thesis demonstrates that bank flows and intra-meander hyporheic exchange flows trigger solute mobilization from the dominant solute source layers in the RZ. Stream flow events driven water table fluctuations in the stream bank and in the intra-meander region transport substantial amount of solutes from the unsaturated RZ into the stream and therefore have significant potential to alter stream water quality.:Declaration Abstract Zusammenfassung 1 General Introduction 1.1 Background and Motivation 1.2 Hydrology and Riparian zones 1.2.1 Transport processes driven by fluctuation in riparian water table depth 1.2.1.1 Upland control 1.2.1.2 Stream control 1.2.2 Biochemical Transformations within the Riparian Zone 1.3 Types and scales of stream-riparian exchange 1.3.1 Hyporheic Exchange 1.3.1.1 Small Scale Vertical HEF 1.3.1.2 Large Scale lateral HEF 1.3.2 Bank Storage 1.4 Methods for estimation of GW-SW exchanges 1.4.1 Field Methods 1.4.1.1 Direct measurement of water flux 1.4.1.2 Tracer based Methods 1.4.2 Modeling Methods 1.4.2.1 Transient storage models 1.4.2.2 Physically based models 1.5 Research gaps and need 1.6 Objectives of the research 1.7 Thesis Outline 2 Flow and Transport Dynamics during Bank Flows 2.1 Introduction 2.2 Methods 2.2.1 Concept and modeling setup 2.2.2 Numerical Model 2.2.3 Stream discharge events 2.2.4 Model results evaluation 2.3 Results and discussion 2.3.1 Response of water and solute exchange to stream discharge events 2.3.1.1 Water exchange time scales 2.3.1.2 Stream water solute concentration 2.3.2 Solute mobilization within the riparian zone 2.3.3 Influence of peak height and event duration on solute mass export towards the stream 2.3.4 Effects of event hydrograph shape on stream water solute concentration 2.3.5 Model limitations and future studies 2.4 Summary and Conclusions Appendix 2 3 Flow and Transport Dynamics within Intra-Meander Zone 3.1 Introduction 3.2 Methods 3.2.1 Meander Shape Scenarios 3.2.2 Surface Water Simulations 3.2.3 3D Groundwater Flow Simulations with Modeling code MIN3P 3.2.3.1 Steady Flow Simulations 3.2.3.2 Stream flow event and Solute Mobilization Set-up 3.2.4 Reactive Transport 3.3 Results and Discussion 3.3.1 Groundwater heads and flow paths in the saturated intrameander zone 3.3.1.1 Groundwater heads 3.3.1.2 Flow paths and isochrones 3.3.1.3 Vertical extent of flow paths 3.3.2 Intra-Meander Residence Time Distribution 3.3.3 Factors affecting intra-meander flow and residence times 3.3.3.1 intra-meander hydraulic gradient 3.3.3.2 Maximum penetration depth 3.3.3.3 Meander sinuosity 3.3.3.4 intra-meander area (A) 3.3.4 Influence of Discharge Event on intra-meander Flow and Solute Transport 3.3.4.1 Spatial distribution of groundwater head and solute concentration 3.3.4.2 Time scales of intra-meander groundwater heads and solute transport 3.3.4.3 Solute export during stream discharge event 3.3.5 Intra-meander reactive transport during stream discharge event 3.3.5.1 Impact of stream discharge on aerobic respiration and denitrification 3.3.5.2 DOC mass removal during stream discharge event 3.4 Summary and Conclusions Appendix 3 4 General Summary and Conclusions 4.1 Summary 4.2 Conclusions 4.2.1 Flow and Transport Dynamics in Near Stream Riparian Zone (Bank Flows) 4.2.2 Flow and Transport Dynamics within Intra-Meander Zone 4.3 Model Limitations and Future Studies Bibliography Acknowledgement