Die Materialwissenschaft stand schon immer an vorderster Front des menschlichen Fortschritts, mit einem aktuellen Forschungsschwerpunkt auf der Entwicklung funktionaler Materialien. Diese Materialien sind darauf ausgelegt, anspruchsvolle Aufgaben jenseits bloßer struktureller Verwendung hinaus zu erfüllen. Das erfordert fortschrittliche Synthesestrategien, die die Eigenschaften verschiedener Materialen synergetisch in leistungsfähigen Nanokompositmaterialien kombinieren. Diese Dissertation erforscht drei unterschiedliche Verfahren der physikalischen Oberflächenmodifikation zur Entwicklung solcher fortschrittlicher Materialsysteme: Dielektrische Barriereentladungs-Plasmabehandlung einer Mischung aus Graphen und Kobaltpulver, konventionelles Magnetronsputtern auf Aktivkohle-Fasergewebe und Magnetronsputter-Inertgas-Kondensation für die Nanopartikelabscheidung auf Siliziumsubstraten. Das erste Verfahren produziert einen Kobalt-Graphen-Nanokomposit mit verbesserter elektrochemischer Leistung und mit potenzieller Skalierbarkeit auf dreidimensionale Substrate unter Verwendung einer zusätzlichen Binderphase. Das zweite Verfahren erzeugt einen Nanokomposit aus Aktivkohle-Fasergewebe mit Palladium-Inseln. Damit wird die erfolgreiche Funktionalisierung flexibler dreidimensionaler Substrate demonstriert, mit potenziellen Anwendungen als Energiematerialien und für Sensorik. Das dritte Verfahren verbessert die Prozesskontrolle und die Abscheidungsraten für Nanopartikelabscheidungen durch Magnetronsputter-Inertgas-Kondensation. Zunächst wird die Quadrupol-Massenspektrometrie für in-situ-Messungen zur Verbesserung der Prozesskontrolle eingesetzt. Anschließend führt das Anlegen einer Substratspannung zu einer signifikanten Erhöhung der Nanopartikelausbeute aus der Quelle, was diese Methode schrittweise für zukünftige Forschung und Anwendungen verbessert. Zusammenfassend demonstriert diese Dissertation bedeutende Fortschritte in drei Methoden der physikalischen Oberflächenmodifikation, hebt ihre jeweiligen Fähigkeiten zur Funktionalisierung von Oberflächen hervor und zeigt Wege zur Funktionalisierung dreidimensionaler Substrate. Damit stellt sie einen wichtigen Schritt in Richtung der industriellen Anwendung fortschrittlicher Hochleistungs-Nanokompositmaterialien dar.