Das vorliegende Buch soll den Studenten der Natur- und Ingenieurwissenschaften mit den Grundlagen der Thermodynamik vertraut machen und an prägnanten Beispielen mit ausführlichen Lösungen zeigen, wie konkrete Probleme anzugehen sind. Die Begriffe Temperatur und Wärme entsprechen der Alltagserfahrung. An- ders als in der Mechanik und Elektrodynamik ist es jedoch erst nach 1900 zu einer mathematisch tragfähigen Formulierung der Thermodynamik gekommen. Dies liegt vor allem daran, daß sie alltägliche Vorgänge der Vielteilchenphysik beschreibt, die ihrer Natur nach statistischen Unbestimmtheiten unterliegen. Deshalb besitzt die Thermodynamik eine andere mathematische Struktur als etwa die Mechanik und wird im Prinzip erst durch die statistische Mechanik vollständig beschrieben, die makroskopische Eigenschaften aus den mikroskopischen molekularen Eigenschaften herleitet. Demgegenüber interessieren in den technischen Anwendungen vor allem die Beziehungen zwischen makroskopischen Mittelwerten, wobei Abweichungen von diesen Mittelwerten nur gelegentlich eine Rolle spielen. In der Thermodynamik gelingt es, die für die Anwendungen wichtigsten statistischen Sachverhalte bereits durch zwei Größen nämlich Temperatur und Entropie darzustellen, ohne die mikro- skopischen Eigenschaften der Moleküle heranziehen zu müssen. Die beiden Größen lassen sich über wenige Erfahrungstatsachen (Hauptsätze) der makroskopischen Phy- sik widerspruchsfrei einführen. Für die meisten Anwendungen in der technischen Thermodynamik und physikalischen Chemie erweist sich diese makroskopische Beschreibung als hinreichend. Das Buch besteht aus vier Teilen: Teil I befaßt sich mit den Grundbegriffen der Thermodynamik. Sie werden für die Gleichgewichtszustände der Systeme über die vier Hauptsätze (Null bis drei) eingeführt. Die Hauptsätze reichen aus, um die Rolle der Temperatur und der thermodynamischen Potentiale zu verstehen und das physikalische Verhalten am absoluten Nullpunkt herzuleiten. Die Anwendungen sind so ausgewählt, daß die we- sentlichen Begriffsbildungen an charakteristischen Beispielen aus den verschiedenen Spezialgebieten der Thermodynamik geklärt werden. Teil II behandelt die Thermodynamik irreversibler Prozesse. Hier wird die lineare Theorie der Ausgleichsvorgänge in räumlich inhomogenen Systemen beschrieben. Diese Systeme werden als Vereinigung vieler kleiner homogener Materialelemen- te mit Konvektionsbewegung dargestellt, von denen sich jedes in einem inneren Gleichgewicht im Sinne von Teil I befindet. Aus der Unterschiedlichkeit der Gleichge- wichtsparameter ergeben sich dann Näherungen für den Zeitverlauf des Ausgleichs- vorgangs. Auf diese Weise entsteht eine zeitabhängige Kontinuumsthermodynamik, die für die meisten praktischen Anwendungen hinreichend ist. Dabei sind die Phä-nomene der thermischen Schwankungen vernachlässigt, die man bei sehr kleinen Materialelementen gesondert beachten muß. Teil III erläutert deshalb die thermischen Schwankungen. Hier werden die statis- tischen Methoden soweit besprochen, als es für Verständnis und Beurteilung der Schwankungen notwendig ist. Eine zentrale Rolle spielt dabei das Schwankungs- -Dissipations Theorem, welches die Höhe und Breite der mittleren Fluktuation abschätzt. Darüberhinaus stellt Teil III den Zusammenhang zwischen Thermodyna- mik und klassischer Mechanik des Vielteilchensystems auf Basis der statistischen Mechanik der Gleichgewichtsphänomene dar. Hier wird der statistische Hintergrund der thermodynamischen Potentiale und der Temperatur erläutert. Teil IV enthält die ausführlichen Lösungen aller Aufgaben. Das Buch ist auch zum Nachschlagen für Physiker, Chemiker und Lehrer geeignet. Mathematisch werden nur Kenntnisse der Differential- und Integralrechnung sowie der Vektoranalysis vorausgesetzt. Zur Orientierung in der Vielfalt der Spezialgebiete werden Hinweise zu Lehrbüchern der technischen Thermodynamik und physikali- schen Chemie gegeben. Die Tabellen im Anhang stellen dem Leser einige für die Praxis wichtige Daten direkt zur Verfügung.

Die vorliegende Dissertation thematisiert die Weiterentwicklung der Zwei-Photonen Laserlithographie zur Realisierung hochaufgelöster Maßverkörperungen für die Kalibrierung optisch-flächenhafter Topographie-Messgeräte nach DIN EN ISO 25178. Die additive Fertigung als generelle Bezeichnung für ein schicht- oder punktweise auftragendes Fertigungsverfahren prosperiert und wird in Zukunft laut der von der Bundesregierung eingerichteten Expertenkommission für Forschung und Innovation (EFI) eine wichtige Rolle als Schlüsseltechnologie einnehmen. Anstatt Bauteile z.B. aus einem soliden Block geometrielimitiert herauszufräsen, baut die additive Fertigung das entsprechende Werkstück aus Metallen, Kunst- oder Verbundwerkstoffen sukzessive auf und ist dabei von der Geometrie meist unabhängig. Dadurch ist die Technologie z.B. für das rapid prototyping interessant und erlaubt einen strukturgetriebenen Herstellungsprozess: "Die Bauteile der Zukunft werden nicht designt sondern berechnet!" (Dr. Karsten Heuser, VP Additive Manufacturing, Siemens AG bei 3D Printing and Industry 4.0: An Industry Perspective, Photonics West 2018, San Francisco, 31.01.2018 (frei übersetzt)). Speziell auf der Mikro- und Nanoskala erfreut sich die additive Fertigung einer wachsenden Bedeutung. Angefangen bei den zunächst fundamentalen Fragestellungen auf den Gebieten der photonischen Kristalle, biologischen Zelltemplaten oder Metamaterialen erhält so z.B. die Zwei-Photonen Laserlithographie, auch direct laser writing (DLW) genannt, einen immer stärkeren Einzug in die Industrie. Beim DLW werden Bereiche photosensitiver Materialien, z.B. Photolacke, mithilfe eines fokussierten Laserstrahls gezielt ausgehärtet, sodass über präzise Relativbewegungen von Lack und Fokus nahezu beliebige 3D Strukturen mit Details auf der Gröÿenordnung des Laserfokus generiert werden können. Dabei spielt die namensgebende, nichtlineare Zwei-Photonen Absorption (2PA) eine entscheidende Rolle: Nur bei einer nahezu simultanen Absorption von zwei Photonen ist die eingebrachte Energie ausreichend hoch, um die gewünschte Aushärtung des Materials zu initiieren. Der entsprechende Zwei-Photonen Absorptionsquerschnitt skaliert mit dem Quadrat der Lichtintensität und dem Imaginärteil der elektrischen Suszeptibilität dritter Ordnung chi(3), sodass beim DLW auch von einem chi(3)-Prozess gesprochen wird. Die zur Aushärtung notwendige Photonenendichte ist somit ausschlieÿlich im Fokus des verwendeten Objektivs hoch genug und erlaubt dadurch die Fertigung von Strukturdetails im Bereich von 100 nm. Eine aktuelle Anwendung findet das DLW in der Metrologie. Hier werden beispielsweise für die Kalibrierung optischer Messgeräte sogenannte Kalibrierkörper benötigt, welche als Referenzstrukturen dienen. Mit dem Wissen der entsprechenden Referenzkennwerte lassen sich die jeweiligen Messgeräteabweichungen bestimmen gegebenenfalls bei der Datenauswertung korrigieren. Dadurch werden die Ergebnisse für Forschung und Industrie verlässlicher, reproduzierbarer und vergleichbarer. Das DLW erlaubt aufgrund seiner hohen Flexibilität und Designfreiheit erstmals, sämtliche Kalibrierkörper für eine ganzheitliche Messgerätekalibrierung kombiniert auf einem einzelnen Trägersubstrat herzustellen. Um das Alterungs- und Skalierungsverhalten sowie die jeweiligen Kalibriereigenschaften der additiv gefertigten Strukturen für einen nachhaltigen technologischen Einsatz attraktiv zu halten, ist ein tiefergehendes Verständnis des entsprechenden Materialsystems unabdingbar. Unter bestimmten Bedingungen zeigt sich, dass die zeitabhängigen Veränderungen der Strukturen nach der thermisch beschleunigten Alterung nach Arrhenius auf den industriell relevanten Zeitskalen von einigen Jahren vernachlässigt werden kann. Auch die für die Kalibrierung unterschiedlicher Objektivvergröÿerungen notwendige Skalierung dieser Kalibrierkörper liefert nach entsprechender Herstellungsoptimierung verlässliche Daten: Sowohl filigrane Strukturen im Bereich einiger weniger Mikrometer und darunter zur Auflösungskalibrierung stark vergrößernder Optiken, als auch großflächige Strukturen von nahezu 1mm² für niedrigere Vergrößerungen bei ähnlicher Auflösung erweisen sich als realisierbar. Um die für eine Auflösungskalibrierung ausreichend hohe Qualität der gefertigten Kalibrierkörper auch in Zukunft zu gewährleisten, muss die Technologie des DLWs stetig weiterentwickelt werden. Die gezielte Aberrationskorrektur des strukturierenden Laserfokus stellt in diesem Kontext zwar eine vielversprechende Option dar, die etablierte iterative Phasenfrontmodifikation mittels Zernike-Polynome erweist sich allerdings als aufwendig und subjektiv. Im Hinblick auf Reproduzierbarkeit und Präzision soll daher zunächst ein passender Algorithmus Abhilfe schaffen. Das Grundprinzip beruht dabei auf dem sogenannten Gerchberg-Saxton Algorithmus, bei dem die Amplitudeninformation sowohl in der Fokus-, als auch in der Pupillenebene iterativ variiert wird. Dadurch werden die Aberrationen über die Phasenverteilung repräsentiert, welche im Anschluss zur Korrektur der Aberrationen verwendet werden kann. Diese Herangehensweise konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmals auf Systeme hoher numerischer Apertur sowie auf nahezu beliebige fokale Intensitätsverteilungen erweitert werden. Die technologische Grundlage hierfür liefert ein räumlicher Lichtmodulator (spatial light modulator, SLM), der die Feldverteilung in der Pupillenebene mittels doppelbrechender Flüssigkristalle einstellt. Durch einen geschickten Aufbau können somit Phase und Amplitude des Laserstrahls über computergenerierte digitale Hologramme gezielt und ohne mechanische Einwirkung verändert werden. Die somit automatisierte Aberrationskorrektur verbessert in der Folge die Strukturierungseigenschaften der Fertigungstechnologie und damit die Qualität der resultierenden Kalibrierkörper. Eine weitere Verbesserung erfolgt in Analogie zum Nobelpreis gekürten Prinzip der STED Mikroskopie, bei der durch stimulierte Emission das effektive Anregungsvolumen verkleinert und damit die laterale Distanz zwischen zwei gerade noch aufgelösten Strukturen von einigen wenigen hundert Nanometern auf ca. fünf Nanometer verbessert wurde. In der Lithographie erfolgt die stimulierte Emission durch einen zweiten Laser via Ein-Photonen Absorption (1PA ~chi(1)), ist jedoch aufgrund komplexer photochemischer und quantenmechanischer Prozesse in den Photolacken nicht unmittelbar aus der Mikroskopie übertragbar. Die grundlegende Machbarkeit wurde bereits von anderen Forschungsgruppen verifiziert, jedoch stets mit der Limitierung auf sehr geringe Strukturierungsgeschwindigkeiten im Bereich von ungefähr 100 µm/s. Damit würden die zuvor erwähnten großflächigen Kalibrierstrukturen bei unveränderten Parametern eine Fabrikationszeit von über einem Monat beanspruchen, weswegen das Verfahren im Rahmen dieser Arbeit auf das ca. 200 mal schnellere Strukturieren mittels Galvanometerspiegel erweitert wird. Dies wird zwar durch wellenlängenabhängige Eigenschaften des Systems, wie z.B. chromatische Aberrationen erschwert, dennoch ergeben sich nachweislich einige Fortschritte: Unerwünschte Abweichungen von der Sollstruktur durch die experimentell stets vorhandene Vignettierung können deutlich reduziert werden. Außerdem kann der Parameterbereich zur Erzeugung konstant hoher Strukturqualität deutlich vergrößert werden. In Kombination mit den SLMs können somit, je nach Anforderungen der Zielstrukturen, die jeweils passenden fokalen Intensitätsverteilungen für den An- und Abregungsstrahlengang automatisiert generiert und optimiert werden. Zudem wurde durch die in dieser Arbeit erbrachten konzeptionellen Fortschritte der STED inspirierten Zwei-Photonen Laserlithographie die Grundlage für eine industrielle Anwendung der erzeugten Kalibrierstrukturen in der Metrologie gelegt.

Passive graduated filters with fixed absorption profile are currently used in image recording to avoid overexposure. However, a whole set of filters with prescribed gradients is required to cope with changing illumination conditions. Furthermore, they demand mechanical adjustment during operation. To overcome these deficiencies we present a microfabricated active electrochromic graduated filter which combines multiple functionalities: The overall absorbance, the position of medium transmission as well as the magnitude of its gradient can be tuned continuously by electrical means. Live image control is possible using low operation voltages in the range of ±2 V to reach a high change in optical density ΔOD of 1.01 (400 nm to 780 nm) with a coloration and bleaching time 1.3 s and 0.2 s, respectively. Owing to their low volume and power consumption they are suitable for widespread applications like in smartphones, surveillance cameras or microscopes.

We present a study of the dynamic magnetic properties of TiN-buffered epitaxial thin films of the Heusler alloy Fe1.5CoGe. Thickness series annealed at different temperatures are prepared and the magnetic damping is measured, a lowest value of α = 2.18 × 10−3 is obtained. The perpendicular magnetic anisotropy properties in Fe1.5CoGe/MgO are also characterized. The evolution of the interfacial perpendicular anisotropy constant K⊥S with the annealing temperature is shown and compared with the widely used CoFeB/MgO interface. A large volume contribution to the perpendicular anisotropy of (4.3 ± 0.5) × 105 J/m3 is also found, in contrast with vanishing bulk contribution in common Co- and Fe-based Heusler alloys.

Using molecular dynamics simulations, the adsorption and diffusion of cisplatin drug molecules in nanopores is investigated for several inorganic materials. Three different materials are studied with widely-varying properties: metallic gold, covalent silicon, and silica. We found a strong influence of both the van der Waals and the electrostatic interaction on the adsorption behavior on the pore walls, which in turn influence the diffusion coefficients. While van der Waals forces generally lead to a reduction of the diffusion coefficient, the fluctuations in the electrostatic energy induced by orientation changes of the cisplatin molecule were found to help desorb the molecule from the wall.