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Historically, Ge is one of the oldest materials in the semiconductor industry and its (001) surface has been the subject of extensive investigations by photoelectron spectroscopy. I am going to challenge the predominant attribution of a semi-conducting nature of the Ge(001) surface in this thesis. My investigations reveal the presence of a Ge(001) surface state above the Fermi-level, occupied at room temperature. Employing time- and temperature-dependent angle-resolved photoelectron spectroscopy, I will demonstrate that the presence of this surface state is evidence for the conducting nature of the surface at room temperature. Sparked by the remarkable properties of the GeSn-alloy and a trend towards Ge-Sn-related multiquantum well fabrication, I investigate the surface electronic structure of Ge(001) after adsorption and incorporation of Sn. With an in-depth analysis of surface core-level shifts, I will extend the growth model of the Sn wetting layer formation by also detailing structural changes in the subsurface region. At the same time, the modifications of the electronic structure will be detailed, observing the removal of the Ge(001) surface states, the creation of a new, Sn-related surface state and the initial stages of the Schottky barrier formation. β-Ga2O3 is a transparent semi-conducting oxide that has sparked a lot of interest over the last decade, because it offers an ultra-wide band gap and high break down voltage. However, due to its monoclinic crystal structure, device fabrication is rather challenging and researchers are already looking into alternative materials. One of these candidates is ϵ-Ga2O3 and this work presents a combined study by photoelectron spectroscopy and ab initio calculations of its electronic structure. (Hard) X-rays reveal the impact of photoelectron recoil and the absence of a band bending to the surface, while the dispersion of experimentally determined valence states compares favorably with the calculations based on hybrid density-functional theory. Another alternative to β-Ga2O3 could be ZnGa2O4 and I will present an investigation on the electronic structure of its (100) surface. Due to the novelty of ZnGa2O4 single-crystals, I am first going to explore the preparation of a clean and well-ordered surface by standard in-situ sputtering and annealing. I will show that already low annealing temperatures induce Zn-deficiency, leading to non-stoichiometric surfaces, further exacerbated by sputtering. By changing the sputtering parameters and the annealing conditions, the preparation of a surface with sufficient quality for subsequent investigations will be demonstrated. The results by photoemission techniques compare favorably with the expectations from theory and allowing the first fundamental insights into the surface electronic structure., Ge ist eines der ältesten Materialien in der Geschichte der Halbleiter-Industrie und die Ge(001) Oberfläche wurde bereits umfassend durch Photoelektronenspektroskopie untersucht. Die dominierende Zuschreibung einer halbleitenden Eigenschaft der Oberfläche werde ich in dieser Dissertation anfechten. Meine Untersuchungen zeigen einen Ge(001) Oberflächenzustand oberhalb des Fermi-Niveaus, der bei Raumtemperatur besetzt ist. Durch zeit- und temperaturabhängige, winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie werde ich zeigen, dass die Beobachtung dieses Zustands der Beweis für die leitende Eigenschaft der Oberfläche, bei Raumtemperatur, ist. Inspiriert von den außergewöhnlichen Eigenschaften der GeSn-Legierung und einem Trend hin zu Ge-Sn-basierten Multi-Quantentopfstrukturen, werde ich die Modifizierung der Ge(001) Oberflächenbandstruktur nach Adsorption von Sn untersuchen. Mit einer detaillierten Analyse von Energie-Niveau-Verschiebungen, der inneren Elektronen der Oberflächenatome, werde ich das Modell des Sn-Wachstums auf der Ge (001) Oberfläche, um die darunter liegenden Schichten erweitern. Gleichzeitig werden Änderungen in der elektronischen Struktur gemessen. So kann die Entfernung von Ge(001) Oberflächenzuständen, die Entstehung eines neuen, Sn-basierten Oberflächenszustands und die ersten Stufen der Formation der Schottky-Barriere beobachtet werden. β-Ga2O3 ist ein transparentes halbeleitendes Oxid, welches im vergangenen Jahrzehnt dank seiner extrem breiten Bandlücke und hohen Durchbruchspannung großes Interesse geweckt hat. Jedoch ist die Herstellung von Bauteilen aufgrund der monoklinischen Kristallstruktur eine Herausforderung und Wissenschaftler suchen bereits nach alternativen Materialien. Ein möglicher Kandidat ist ϵ- Ga2O3 und in dieser Arbeit wird dessen elektronische Bandstruktur mit einer Kombination aus Photoelektronenspektroskopie und ab initio Berechnungen untersucht. (Harte) Röntgenstrahlung erlaubt die Beobachtung von Rückstoßeffekten der Photoelektronen und die Abwesenheit von Bandverbiegungen, während die Dispersionen der experimentell gemessenen Valenzbandzustände Berechnungen mit hybrid-density-functional-Theorie bestätigen. Eine andere Alternative zu β-Ga2O3 könnte ZnGa2O4 sein und ich werde eine Untersuchung der elektronischen Struktur, der (100)-Oberfläche präsentieren. Aufgrund die Neuartigkeit von ZnGa2O4-Einkristallen werde ich zuerst die Vorbereitung einer sauberen und kristallinen Oberfläche mittels in-situ Sputtern und Heizen untersuchen. Ich werde zeigen, dass es selbst bei niedrigen Heiztemperaturen zu Zn-Mangel in der Oberfläche kommt, welcher sich durch Sputtern verschlimmert. Durch das ändern der Sputterparameter und der Bedingungen beim Heizen, werde ich eine Oberfläche mit hinreichender Qualität für eine weitergehende Charakterisierung der elektronischen Struktur demonstrieren. Die Ergebnisse aus der Photoelektronenspektroskopie passen zu theoretischen Berechnungen der Bandstruktur und liefern somit die ersten Einsichten in die elektronische Struktur der Oberfläche.

This thesis examines the electronic properties of two materials that promise the realization and observation of novel exotic quantum phenomena. For this purpose, angle-resolved photoemission forms the experimental basis for the investigation of the electronic properties. Furthermore, the magnetic order is investigated utilizing X-ray dichroism measurements. First, the bulk and surface electronic structure of epitaxially grown HgTe in its three-dimensional topological insulator phase is investigated. In this study, synchrotron radiation is used to address the three-dimensional band structure and orbital composition of the bulk states by employing photon-energy-dependent and polarization-dependent measurements, respectively. In addition, the topological surface state is examined on in situ grown samples using a laboratory photon source. The resulting data provide a means to experimentally localize the bulk band inversion in momentum space and to evidence the momentum-dependent change in the orbital character of the inverted bulk states. Furthermore, a rather new series of van der Waals compounds, (MnBi\(_2\)Te\(_4\))(Bi\(_2\)Te\(_3\))\(_n\), is investigated. First, the magnetic properties of the first two members of the series, MnBi\(_2\)Te\(_4\) and MnBi\(_4\)Te\(_7\), are studied via X-ray absorption-based techniques. The topological surface state on the two terminations of MnBi\(_4\)Te\(_7\) is analyzed using circular dichroic, photon-energy-dependent, and spin-resolved photoemission. The topological state on the (MnBi\(_2\)Te\(_4\))-layer termination shows a free-standing Dirac cone with its Dirac point located in the bulk band gap. In contrast, on the (Bi\(_2\)Te\(_3\))-layer termination the surface state hybridizes with the bulk valences states, forming a spectral weight gap, and exhibits a Dirac point that is buried within the bulk continuum. Lastly, the lack of unambiguous evidence in the literature showing a temperature-dependent mass gap opening in these magnetic topological insulators is discussed through MnBi\(_2\)Te\(_4\)., In dieser Arbeit werden die elektronischen Eigenschaften zweier Materialien untersucht, welche die Realisierung und Beobachtung neuartiger exotischer Quantenphänomene versprechen. Hierbei bildet die winkelaufgelöste Photoemission die experimentelle Grundlade für die Untersuchung der elektronischen Eigenschaften. Zudem wird die magnetische Ordnung mittels Röntgendichroismusmessungen untersucht. Zunächst wird die elektronische Volumen- und Oberflächenstruktur von epitaktisch gewachsenem HgTe in der Phase eines dreidimensionalen topologischen Isolators untersucht. In dieser Studie wird Synchrotronstrahlung verwendet, um die dreidimensionale Bandstruktur und die orbitale Zusammensetzung der Volumenzustände durch photonenenergieabhängige bzw. polarisationsabhängige Messungen zu bestimmen. Darüber hinaus wird der topologische Oberflächenzustand an in situ gewachsenen Proben mit einer Laborphotonenquelle untersucht. Die daraus resultierenden Daten ermöglichen eine Lokalisierung der Bandinversion im Impulsraum und den Nachweis der impulsabhängigen Veränderung des Orbitalcharakters der invertierten Volumenzustände. Zusätzlich wird eine relativ neue Reihe von van-der-Waals-Verbindungen, (MnBi\(_2\)Te\(_4\))(Bi\(_2\)Te\(_3\))\(_n\), untersucht. Zunächst werden die magnetischen Eigenschaften der ersten beiden Mitglieder der Reihe, MnBi\(_2\)Te\(_4\) und MnBi\(_4\)Te\(_7\), mittels Röntgenabsorptionsverfahren bestimmt. Der topologische Oberflächenzustand auf den beidem Terminierungen von MnBi\(_4\)Te\(_7\) wird unter der Verwendung von zirkularem Dichroismus, photonenenergieabhängiger sowie spinaufgelöster Photoemission analysiert. Der topologische Zustand auf der (MnBi\(_2\)Te\(_4\)-Terminierung zeigt dabei einen freistehenden Dirac-Zustand mit einem in der Volumenbandlücke liegendem Dirac-Punkt. Im Gegensatz dazu hybridisiert der Oberflächenzustand auf der (Bi\(_2\)Te\(_3\))\(_n\)-Terminierung mit den Volumenzuständen, wodurch eine Lücke im spektralen Gewicht entsteht, und weist einen Dirac-Punkt auf, der vom Volumenkontinuum überlagert ist. Abschließend wird das Fehlen einer eindeutigen Beweislage in der Literatur, die eine temperaturabhängige Öffnung einer Energielücke in diesen Materialien zeigt, anhand von (MnBi\(_2\)Te\(_4\) diskutiert.

In dieser Arbeit werden die experimentellen Ergebnisse optischer Studien verschiedener topologischer Dirac Materialien präsentiert. Dabei wurden speziell die Dirac nodal line Materialien der ZrXY Familie unter chemischem und externem Druck untersucht, sowie das Weyl Typ-II Halbmetall WTe2 unter externem Druck und tiefen Temperaturen. Mithilfe optischer Reflexionsspektroskopie der Verbindungen ZrXY mit X = Si, Ge und Y = S, Se, Te über einen breiten Frequenzbereich wurde die Auswirkung des chemischen Drucks innerhalb dieser Materialfamilie untersucht. Es zeigte sich eine charakteristische optische Leitfähigkeit aller gemessener Verbindungen, nämlich eine U-Form bei mittleren Energien, mit Ausnahme von ZrSiTe. Da auf bandselektive Berechnungen der optischen Leitfähigkeit dieser Materialien zurückgegriffen werden konnte, konnte der Ursprung dieser U-Form in der Bandstruktur von ZrXY zugeordnet werden. Dabei stammt die wie 1/w abfallende Flanke der U-Form von Übergängen innerhalb einer effektiven "nodal plane" und sie wird von einem spitzen Beitrag begrenzt, der von Übergängen zwischen fast parallelen Bändern stammt. Außerdem wurde herausgefunden, dass die Energieposition dieses Beitrags von der Zwischenschichtbindungsstärke abhängt. Für ZrSiTe zeigen optische Reflexionsmessungen und Raman Messungen unter hydrostatischem Druck bis 10 GPa Anomalien in mehreren Parametern bei ca. 4 und 6.5 GPa. Unterstützende XRD Messungen konnten dabei strukturelle Phasenübergänge ausschließen. Durch Rückgriff auf DFT Bandstruktur Berechnungen unter hydrostatischem Druck konnten Änderungen in der Topologie der Fermifläche bei den oben genannten kritischen Drücken identifiziert werden. Dies sind insgesamt starke Indizien für zwei Lifshitz Übergänge in ZrSiTe unter hohen Drücken. Dennoch wurde die charakteristische U-Form der optischen Leitfähigkeit auch beim höchsten gemessenen Druck nicht beobachtet, aber der spitze Beitrag aufgrund der parallelen Bänder konnte auch für ZrSiTe zugeordnet werden. Optische Reflexionsmessungen unter hohem Druck und bei tiefen Temperaturen an WTe2 zeigen ebenfalls zwei Anomalien in mehreren optischen Parametern. Durch Vergleich mit Literaturdaten wurden diese einem elektronischem und einem strukturellen Phasenübergang in WTe2 unter hydrostatischem Druck zugeordnet. Des Weiteren wird ein markanter Transfer von spektralem Gewicht von hohen zu niedrigen Energien unter Druck beobachtet. Signaturen der Weyl Phase oder der Supraleitung in WTe2 wurden im gemessenen Parameterbereich dagegen nicht beobachtet. Insgesamt zeigen die Messungen eine hohe Sensitivität der Bandstruktur von geschichteten, topologischen Materialien auf die Zwischenschichtbindungsstärke auf. This work presents the experimental results of optical studies of different topological Dirac materials. Particularly, the Dirac nodal line materials of the ZrXY family were investigated under chemical and external pressure and the Weyl type-II semimetal WTe2 was examined under external pressure and low temperatures. Using optical reflection spectroscopy on the compounds ZrXY with X = Si, Ge und Y = S, Se, Te over a wide frequency range, the effect of chemical pressure within this material family was investigated. A characteristic optical conductivity was found for all measured compounds, namely a U-shape at intermediate energies, except for ZrSiTe. Relying on bandselective calculations of the optical conductivity, the origin of this U-shape could be assigned to the bandstructure of ZrXY. While the initial like 1/w decreasing slope of the U-shape stems from transitions within an effective nodal plane, the sharp peak ending the U-shape is due to transitions between almost parallel bands. Furthermore, the energy position of this peak was found to depend on the interlayer bonding. For ZrSiTe, optical reflection and Raman measurements under hydrostatic pressure up to 10 GPa showed anomalies in several parameters at about 4 and 6.5 GPa. Supporting XRD measurements could rule out a structural phase transition. By resorting on DFT bandstructure calculations under hydrostatic pressure, changes in the topology of the Fermi surface could be identified at the stated critical pressures. Together this gives strong indications for two pressure-induced Lifshitz transitions in ZrSiTe. While the characteristic U-shape of the optical conductivity could not be observed even at the highest measured pressure, the sharp peak due to the parallel bands could also be assigned in the case of ZrSiTe. Optical reflection measurements under high pressure and low temperatures on WTe2 also showed two anomalies in several optical parameters. Via a comparison with literature data, these anomalies were assigned to an electronic and a structural phase transition in WTe2 under hydrostatic pressure. Furthermore, a pronounced transfer of spectral weight from high to low energies was observed. Signatures of the Weyl or the superconducting phase of WTe2 were not observed. In summary, the measurements show a high sensitivity of the bandstructure of layered topological materials on the interlayer bonding.

Transition metal oxides exhibit a variety of physical properties due to their high tunability of spin, orbital, and charge degrees of freedom. This thesis studies two complex, transition metal oxide thin film/substrate systems, the NiFe2O4/Nb:SrTiO3 (NFO/STO) and the La0.3Sr0.7MnO3/Nb:SrTiO3 (LSMO/ STO). NFO is a ferrimagnetic insulator. LSMO is a ferromagnetic half metal and below a critical thickness transitions to an insulator. However, the physical properties of those complex oxides heterostructures are often directly linked to the quality of the thin oxide film and the interactions between the oxide thin film and its substrate at the interface. In this thesis the ultra thin NFO film growth via pulsed laser deposition is optimized. First those optimized, smooth and single crystalline NFO films are studied with lab measurement methods to ensure a high film quality. In a next step their stoichiometry and crystalline occupancy is studied via hard X-ray photoemission (HAXPES) and X-ray absorption spectroscopy, which were recorded at the large scale synchrotron BESSY II, PETRA III and the DIAMOND Light source. The stoichiometry and occupancy is found to match the theoretical expectations of the NFO oxide in the inverse spinel structure. The magnetic response of the NFO/STO heterostructure is researched with the element selective X-ray magnetic circular dichroism (XMCD). Due to the proximity effect the Ti signal mimics the ferrimagnetic response of the NFO thin film. The electronic properties of Au/NFO/STO and Pt/LSMO/STO devices were investigated via in-operando HAXPES measurements. In-operando HAXPES is recording HAXPES spectra during a voltage is applied to the sample. The band alignment and band bending are investigated by applying Kraut' s method to the HAXPES spectra.

Stimulated emission from AlGaN based quantum wells (QWs) emitting at ultraviolet wavelengths is investigated theoretically. Maxwell–Bloch equations in the second Born approximation are solved self-consistently with the Poisson equation. The valence band dispersion is obtained from a 6-band kp-model. For a QW emitting at around 270 nm with a thickness of 2.2 nm, an estimated FWHM of 10 meV for homogeneous broadening and an excitonic red shift of 100 meV are extracted under typical laser conditions. From a comparison to experimental data of stimulated emission, an inhomogeneous broadening energy of 39 meV FWHM is evaluated. Calculations show that high TE gain can be achieved for thin QWs around 2 nm thickness in a multiple QW arrangement or for single QWs thicker than 6 nm.

Graphen und Graphit als Vertreter sp2-hybridisierter Kohlenstoffmaterialien weisen sehr gute elektronische Eigenschaften auf, die sich in vielen Fällen durch Adsorption oder Interkalation von Metallatomen weiter verbessern lassen. In dieser Arbeit wird die atomare Struktur von nickelinterkaliertem Graphit sowie von nickelbesetztem Mono- und Bilagen-Graphen und deren Stabiität mittels Dichtefunktionaltheorie berechnet und untereinander verglichen. Durch Untersuchung des Einflusses der Nickelatomdichte sowie von Anzahl und Abstand der Kohlenstofflagen werden verallgemeinerte Vorhersagen für Graphitmaterialien mit Nickelinterkalation und deren Verhalten bei externen Verspannungen möglich. Abschließend wird der Einfluss der Nickelatome auf die elektronischen Eigenschaften anhand der Bandstruktur untersucht. Aufgrund zusätzliche Bänder in der Nähe der Fermienergie kann eine Verbesserung des elektrischen Transportes angenommen werden.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1. Einleitung 2. Überblick zu Kohlenstoffmaterialien 2.1. Formen des Kohlenstoffs 2.2. Interkalation 2.3. Elektronische Eigenschaften 3. Dichtefunktionaltheorie 3.1. Motivation 3.2. Das Hohenberg-Kohn-Theorem 3.3. Berechnung der Elektronendichte 3.4. Abschätzung der Austausch-Korrelations-Energie 3.4.1. Lokale Dichtenäherung 3.4.2. Verallgemeinerten Gradientennäherung 4. Simulationsmethodik 4.1. Modellsystem 4.2. Software und Rechenparameter 5. Ergebnisse 5.1. Gleichgewichtspositionen 5.1.1. Nickelbesetztes Graphen 5.1.2. Interkalierte Systeme 5.1.3. Betrachtung höherer Nickeldichten 5.2. Einfluss des Lagenabstandes und Stabilitätsbetrachtungen 5.3. Elektronische Eigenschaften 5.3.1. Einfluss der geometrischen Struktur 5.3.2. Bandstruktur von nickelbesetztem Graphen 5.3.3. Bandstrukturen der interkalierten Systeme 6. Zusammenfassung und Ausblick A. Einfluss der Nickeldichte B. SCAN-Funktional und ebeneWellen C. Energielandschaften bei konstantem Lagenabstand D. Spineffekte in der Bandstruktur E. Fette Bandstruktur der weiteren Systeme Literaturverzeichnis Selbstständigkeitserklärung

In der vorliegenden Arbeit wurde ausgedehntes Si_1−x Ge_x für unterschiedliche Zusammensetzungen 0 ≤ x ≤ 1 untersucht. Die Untersuchungen basierten auf der DFT, wobei das Programm QuantumATK 18.06 zum Einsatz kam. Für die Korrektur der Bandlücke wurden empirische Pseudopotential Projektor Shifts verwendet [34]. Für jede untersuchte Zusammensetzung wurden 500 zufällig generierte Konfigurationen der 64-atomigen Superzelle berechnet und statistisch ausgewertet. Nach der Optimierung der Struktur erfolgte die Auswertung der Bandlücke indem über äquivalente Pfade in der Brillouinzone gemittelt wurde. Zusätzlich wurden nach dieser Art auch kleine Anteile an C untersucht. Die Ergebnisse der Berechnungen zeigen für die Bildungsenergie der Mischstrukturen positive Werte mit einem Maximum bei mittleren Zusammensetzungen. Zur Stabilitätsuntersuchung der Legierungen wurde die Gibbs-Energie berechnet. Es ergeben sich negative Werte, was die Stabilität von SiGe bestätigt. Die berechnete Gitterkonstante der relaxierten Strukturen zeigt eine leichte Überschätzung der experimentellen Werte. Die ermittelten Bandlücken reproduzieren den Übergang von Si-artigen zu Ge-artigen Bandlücken bei x = 0.85. Die Werte der Bandlücke zeigen eine gute Übereinstimmung mit dem Experiment. Aus den statistischen Untersuchungen wird deutlich, dass sowohl Bildungsenergie als auch Bandlücke Variationen von 10 % und mehr aufweisen. Es zeigt sich dadurch ein nicht zu vernachlässigender Unterschied zwischen verschie denen Konfigurationen der Superzelle, die alle eine Legierung mit gleicher Zusammensetzung beschreiben. Wird in die Strukturen Kohlenstoff eingebracht, so vergrößern sich die Variationen mit steigendem C-Anteil. Für die betrachteten kleine C-Anteile zeigt sich eine Erhöhung der Bildungsenergie und einer Verkleinerung der Gitterkonstante und der Bandlücke. Es wird deutlich, dass bereits wenig C einen Einfluss auf die wichtigen Eigenschaften der Legierung hat und für genaue Simulationen berücksichtigt werden muss. Wie die Ergebnisse zeigen, spielt die spezielle Konfiguration von Strukturen im nm-Bereich eine wichtige Rolle. Aus diesem Grund wurde im zweiten Teil der Arbeit ein Ge-Profil nachgebildet, wie es in der Basis von HBTs vorkommt. Die Ergebnisse zeigen eine Verkleinerung der Bandlücke im SiGe-Bereich, welche im Wesentlichen durch zusätzliche Valenzzustände hervorgerufen wird. Diese Zustände sind in die z-Richtung lokalisiert. Die Leitungsbandkante bleibt von der SiGe-Region nahezu unbeeinflusst. Die Vergrößerung der SiGe-Region verkleinert die Bandlücke.:Abkürzungsverzeichnis - 5 1 Motivation - 6 2 Theoretische Grundlagen der Dichtefunktionaltheorie - 8 2.1 Quantenmechanische Vielteilchensysteme - 8 2.2 Hohenberg-Kohn-Theoreme - 9 2.3 Austausch-Korrelations-Funktional und Kohn-Sham-Gleichung - 10 3 Siliziumgermanium - 12 3.1 Kristallstruktur und Gitterkonstante - 12 3.2 Bandstruktur - 13 3.2.1 Bandstruktur von Si und Ge - 13 3.2.2 Bandlücke von SiGe - 14 3.2.3 Bandlücke von SiGe:C - 15 4 Modellierung und Methoden - 16 4.1 Modellzellen - 16 4.1.1 8-atomige konventionelle Einheitszelle - 16 4.1.2 64-atomige Superzelle - 17 4.2 Bildungsenergie und Stabilität von Legierungen - 20 4.2.1 Gibbs-Energie - 21 4.3 Faltung der Bandstruktur - 22 4.4 Korrektur und Ermittlung der Bandlücke - 24 4.4.1 Korrektur der Bandlücke - 24 4.4.2 Bestimmung der Bandlücke von ungeordneten Legierungen - 26 4.5 Berechnungsverfahren der Kristallstrukturen - 28 5 Ergebnisse und Auswertung - 29 5.1 Gitterkonstante - 29 5.2 Bildungsenergie und Änderung der Gibbs-Energie - 32 5.3 Bandlücke - 36 5.3.1 Leitungsbandminimum - 38 5.3.2 Bildungsenergie - 40 5.4 Bandstruktur - 42 6 Anwendung für die Basis von HBTs - 44 6.1 Modellierung - 45 6.2 Ergebnisse - 46 7 Zusammenfassung und Ausblick Literatur - 49 Danksagung - 53 Selbstständigkeitserklärung - 54

Das Co2FeSi/GaAs-Hybridsystem wurde hinsichtlich seiner Eignung für Anwendungen in der Spintronik untersucht. Die Heusler-Legierung Co2FeSi ist ein aussichtsreicher Kandidat für derartige Anwendungen, weil der vollständig geordneten Kristallphase Halbmetallizität, d. h. eine Spinpolarisation von 100% an der Fermi-Energie, vorhergesagt wird. Zunächst wurde im Rahmen dieser Arbeit die elektrische Spininjektion und Spindetektion in lateralen Transportstrukturen in der sogenannten nicht-lokalen Konfiguration sowohl für die vollständig geordnete, als auch für eine teilweise ungeordnete Kristallphase mittels Spinventil- und Hanle-Messungen nachgewiesen. Die Abhängigkeiten der Spinsignale vom Strom und von der Temperatur konnten erklärt werden und eine Spininjektionsefizienz von 16 bzw. 9% wurde ermittelt. Für den praktischen Einsatz werden allerdings lokale Spinventile benötigt, deren Funktionsfähigkeit für beide kristallinen Ordnungen demonstriert wurde. Der Magnetowiderstand, der ein Maß für die Güte der lokalen Spinventile darstellt, beträgt 0.03% und liegt im Bereich des theoretisch zu erwartenden Wertes. Anhand des sogenannten Fert-Kriteriums konnten die Gründe für diesen niedrigen Wert aufgezeigt werden. Des Weiteren ließ ein Vergleich der lokalen und nicht-lokalen Spinsignale auf eine hohe Spinpolarisation des Co2FeSi schließen. Die Spinextraktion bietet neben der Spininjektion eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer Spinakkumulation in einem Halbleiter. Die Stromabhängigkeiten von Spininjektion und Spinextraktion unterscheiden sich für beide kristallinen Phasen des Co2FeSi. Das stark unterschiedliche Verhalten konnte anhand des Einflusses der jeweiligen Bandstruktur auf die Spinerzeugung erklärt werden. Des Weiteren konnte aus dem Vergleich zwischen der Messungen und der theoretisch vorhergesagten Bandstruktur der halbmetallische Charakter der vollständig geordneten Kristallphase nachgewiesen werden. The Co2FeSi/GaAs hybrid system was investigated regarding its suitability for spintronic applications. The Heusler-compound Co2FeSi is a promissing canditate for these kind of applications due to the predicted half-metallicity, i. e. a 100% spin polarisation at the Fermi energy, for its fully ordered crystall phase. The electrical spin injection and detection was demonstrated in lateral tranpost structures in the so called non-local geometry for the fully ordered and for a partly disordered crystall phase by observing spin valve signatures and Hanle characteristics. The current and temperature dependence of the spin signals was explained and a respective spin injection efficiencies of 16 and 9% determined. For practical use one needs local spin valves, which where demonstrated for both crystalline phases. The magnetoresistance, a measure of the goodness of a local spin valve, was 0.03%, i. e. in the theoretically expected range. Making use of the so-called Fert criterion the reasons for this low value could be pointed out. Further the quotient of the local and non-local spin signals implied a high spin polarisation of the Co2FeSi. Spin extraction is another method to create a spin accumulation in a semiconductor. The current dependece of the spin injection and the spin extraction signals strongly depends on the degree of ordering in the Co2FeSi lattice. The different behavior is explanied by the crucial influence of the respective electronic band structure on the spin generation processes. Further, the comparison between the measured signals and the theoretically calculated electronic band structure hints towards the half-metalicity of the fully ordered crystall phase of Co2FeSi.

Wellenleiter Quantenelektrodynamik (Wellenleiter QED) ist ein wichtiger Baustein in vielen zukünftigen, auf Quantenmechanik basierenden Technologien wie z.B. Quantencomputer. Ein typisches Modellsystem besteht aus einem Zwei-Niveau-System (two level system, TLS), das an einen eindimensionalen Wellenleiter gekoppelt wurde. Der Wellenleiter ist dabei durch eine Dispersionsrelation charakterisiert und kann unter anderem Bandkanten enthalten. Wir haben in der Dissertation einen neuartigen Zugang zur Wellenleiter QED präsentiert. Dieser Zugang basiert auf der Quantenfeldtheorie und ermöglicht die Berechnung Greenscher Funktionen im ein- und zwei-Anregungs Unterraum. Diese Greenschen Funktionen wurden benutzt um die Streumatrix und die spektrale Dichte in beiden Unterräumen zu berechnen. Desweiteren konnten wir mit Hilfe von Feynman-Diagrammen die physikalischen Prozesse in der Störungsreihe der Greenschen Funktionen identifizieren. Dies war besonders im zwei-Anregungs-Unterraum von Nutzen. In diesem Fall verhält sich das System nichtlinear, da das TLS nur eine Anregung absorbieren kann. Dadurch werden Effekte induziert wie photon bunching und die effiziente Anregung eines gebundenen Atom-Photon Zustandes. Es war uns möglich diese Effekte in der Störungsreihe der Greenschen Funktion wieder zu finden. Desweiteren haben wir die Greenschen Funktionen im Orts-Zeit-Raum benutzt um ein- und zwei-Photon-Wellenpakete zu propagieren. Es hat sich herausgestellt dass das Verhältnis von Pulsbreite zur spontanten Emissions-zeit sowohl das Streuverhalten als auch die maximale Anregung des TLS bestimmt. Letztendlich haben wir den Einfluss von Unordnung im Wellenleiter auf das Zerfallsverhalten des TLS untersucht. Wir haben entdeckt dass der gebundene Atom-Photon Zustand instabil wird sobald die Unordnung einen kritischen Wert erreicht. Darüberhinaus haben wir eine spezielle Klasse Feynman Diagramme identifiziert, die dem Zerfall eine nichtmarkovsche Dynamik verleihen. Waveguide quantum electrodynamics (waveguide QED) can be considered as a building block for many prospective technologies like quantum computing. A prototypical system consists of a two-level system (TLS) coupled to a one-dimensional waveguide. The waveguide is characterized by its dispersion relation and can also feature a band edge/slow-light regime. In this thesis we have presented a new theoretical framework for waveguide QED, based on quantum field theory. The framework provides the Green''s functions of the system in the single- and two-excitation sectors for an arbitrary dispersion relation. We have calculated the scattering matrix and the spectral density in both sectors. Furthermore, we have also represented the Green''s functions in the form of Feynman diagrams, from which we can identify the underlying physical processes. A special property of the system is that it behaves nonlinear in the case of two or more photons. This is rooted in the structure of the TLS, which can at most absorb one excitation. The nonlinearity leads to two effects: photon bunching and the efficient excitation of an atom-photon bound state. We have found both effects within our framework and we were able to assign them individual terms in the perturbation series of the Green''s function. Furthermore, we have used the Green''s function in space-time domain to propagate Gaussian one- and two-photon wavepackets. Here, we have identified the ratio of the pulsewidth and the spontaneous emission time as the parameter which governs both the scattering behavior of the photons and the maximal TLS excitation. Eventually, we have investigated the effects of disorder in the waveguide on the decay properties of the TLS. We have found here that the atom-photon bound state is stable for small disorder, but breaks down at sufficiently strong disorder. Furthermore, we have identified a special class of diagrams which render the system non-Markovian even for energies far away from the band edge.

A large number of functional materials have layered structures yielding anisotropic physical properties and an exciting physics of extended defects. For the understanding of both phenomena extensive computational methods are necessary for calculating anisotropic physical properties in an ab-initio approach. Calculating high-energy electron scattering is essential to yield quantitative results on defect structures by electron microscopy and spectroscopy. In this thesis superconducting ReBa2Cu3O7-x (ReBCO, Re = rare earth) coated conductors and thermoelectric Bi2Te3-related device-relevant materials were analyzed in detail. For both compounds various computational methods were applied to yield a quantitative structure-property correlation. The microstructure and the chemical composition of a material affecting its macroscopic physical properties is referred to as structure-property correlation. Coated conductors consist of multilayer thin film structures and are high-temperature superconducting (HTS) wires of the second generation. The analyzed coated conductors were grown by two methods: (i) chemical solution deposition (CSD) and (ii) inclined substrate deposition (ISD). In this work both materials were analyzed and compared to each other, yielding a structure-property correlation. The analysis of Bi2Te3-related materials focused on thin films and bulk materials. Bi2Te3-related materials have the highest thermoelectric figure-of-merit ZT at room temperature and are used in energy conversion devices. Additionally, these materials are topological insulators, a hot topic in current research. Alloying reduces thermal conductivity by enhancing phonon scattering and yields an enhanced ZT value for the alloys as compared to the binary compound. Electron microscopy is the method of choice to establish a structure-property correlation. In this thesis a combination of scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) was applied to cover a broad range of length scales. Several quantitative analytical methods that require computational methods have been implemented for device relevant analytics: (i) quantitative energy-dispersive X-ray (EDX) analysis in the SEM including quantitative EDX spectrum simulation and (ii) aberration corrected scanning transmission electron microscopy (STEM) analysis including the corresponding image simulation. Film thicknesses directly relate to critical currents and are therefore crucially important for coated conductors. In this work a method for determining the film thickness based on thickness calibration curves was developed. For electron energies of up to 30 keV electron scattering was calculated in the excitation volume by a Monte Carlo approach, which allowed also to implement quantitative EDX spectrum simulation. Simulation of electron trajectories and X-ray intensities on the micrometer scale also yields optimized acquisition conditions with respect to lateral resolution, precision of quantitative analysis, and minimum detectable mole fractions. Furthermore, Monte Carlo simulations for the electron trajectories was used to calculate the electron penetration depth and to rule out stray radiation generated in the substrate of thin films. This method was applied for high-precision wavelength-dispersive X-ray spectrometry (WDX) determining antisite defect densities in Bi2Te3-related thermoelectric materials. High-angle annular dark-field (HAADF) STEM imaging is the method of choice to reveal the nanostructure of materials, since it provides easily interpretable, quantifiable atomic number (Z) contrast images. In aberration corrected STEM the probe diameter can be reduced to less than 1 Å and single atomic imaging and spectroscopy is simultaneously possible. Simulation of e.g. HAADF images allow confirm, discard, or modify structural and chemical models for extended defects. Atomically resolved HAADF images of Bi2Te3-related thermoelectric materials as well as of DyBa2Cu3O7-x (DyBCO) coated conductors were simulated for different sample thicknesses and compared to experimentally acquired images. It was shown that alloying can be imaged in real space on the atomic scale. In case of the DyBCO coated conductors atomic resolution could be proven at various interfaces. Structure-property correlations are of key importance for improving material or device relevant performances by tailoring the microstructure and the chemistry. Ab-initio density functional theory (DFT) calculations implemented in the Wien2k code yield the band structure for electrons depending on the crystal structure of a material, which in turn can be determined by the analytical methods used here. With the band structure, temperature-dependent electron transport coefficients were calculated by solving the linearized Boltzmann equation. The Wien2k and the BoltzTraP simulation packages were setup and yielded the transport properties for various modifications of the crystal structure. For Bi2Te3, transport coefficients were calculated depending on the chemical potential and temperature, the chemical potential being directly related to the charge carrier density. The calculated thermopower strongly depended on the charge carrier density and satisfactorily fitted to experimental values obtained in bulk and thin films. In summary, the computational methods implemented in this thesis treat scattering of Bloch waves for different electron energies. For simulating electron microscopy data, high electron energies have to be used, primary energies are in the 5-300 keV range. For calculating transport coefficients in crystals electron energies are in the eV range and below. The computational methods applied in this work yield an enhanced, quantitative understanding of the physical phenomena being involved and an important contribution to the structure-property correlation of materials. CSD coated conductors were grown from liquid precursors under ambient pressure. These films were analyzed by SEM and TEM methods to reveal their microstructure. It was found that the layers in CSD coated conductors yield strongly varying film thicknesses, large film roughnesses, and an inhomogeneous chemical composition on the micrometer scale. For coated conductors prepared by ISD biaxially-textured MgO buffer layers can be deposited on untextured Hastelloy substrates by electron evaporation. The biaxial texture of the MgO buffer layer is of crucial importance for achieving high critical currents in the superconducting layers and was quantitatively measured by electron diffraction in cross-section for MgO films revealing strong and poor texture depending on the deposition conditions. These measurements are the key for controlling the texture and understanding the physics of texture formation by the ISD method. Growing superconducting layers with thicknesses exceeding 1 µm yields a dramatic reduction in critical current densities for all applied technologies except the ISD technology. In contrast, an almost linear increase of the critical current with the DyBCO film thickness was observed in ISD grown coated conductors due to a highly biaxially-textured film at all thicknesses. A record value of the critical current of 1018 A cm-1 was measured for a DyBCO film with 5.9 µm thickness. Therefore, the ISD technology offers a unique possibility to overcome thickness limitations in coated conductor technology. This thesis clearly documents the limitations of CSD grown coated conductors: (i) the film thickness is poorly controlled due to the large surface roughnesses yielding a limitation for the critical current of such films; (ii) biaxially-textured YBCO films can only be grown to thicknesses significantly smaller than 1 µm, in thicker films the biaxial texture is lost in the top part of the film. Very different to these findings ISD films yield (i) very smooth surfaces and (ii) biaxial texture up to more than 6 µm film thickness. The surface smoothness is a direct consequence of the biaxial texture that yields low-energy, small-angle grain boundaries with large critical current densities. Eine große Anzahl funktioneller Materialien hat eine Schichtstruktur, welche eine Anisotropie der physikalischen Eigenschaften und eine spannende Physik ausgedehnter Defekte ergibt. Für das Verständnis beider Phänomene sind umfangreiche Rechenmethoden notwendig, um die anisotropen, physikalischen Eigenschaften in einem Ab-initio Ansatz zu berechnen. Die Berechnung hochenergetischer Elektronenstreuung ist essentiell, um mittels Elektronenmikroskopie und -spektroskopie quantitative Ergebnisse zu Defektstrukturen zu erhalten. In dieser Dissertation wurden supraleitende SeBa2Cu3O7-x (SeBCO, Se = Seltenerd) Bandleiter und Bi2Te3-basierte, bauteilrelevante, thermoelektrische Materialien im Detail untersucht. Für beide Verbindungen wurden verschiedene Rechenmethoden angewendet, um quantitative Struktur-Eigenschaftsbeziehungen zu erhalten. Die Mikrostruktur und die chemische Zusammensetzung eines Materials beeinflusst seine makroskopischen, physikalischen Eigenschaften, dies wird als Struktur-Eigenschaftskorrelation bezeichnet. Bandleiter bestehen aus einer Multilagenstruktur und sind supraleitende Drähte der zweiten Generation. Die untersuchten Bandleiter wurden durch zwei Methoden hergestellt: (i) Chemische Abscheidung aus der Lösung (chemical solution deposition, CSD) und (ii) Elektronenstrahlverdampfung bei gleichzeitiger Schrägstellung des Substrates (inclined substrate deposition, ISD). In dieser Arbeit wurden beide Materialien analysiert und mit Hinblick auf Struktur-Eigenschaftsbeziehungen verglichen. Bei der Analyse der Bi2Te3-basierten Materialien lag der Fokus auf dünnen Filmen sowie Volumenmaterialien. Bi2Te3-basierte Materialien haben bei Raumtemperatur den höchsten thermoelektrischen Gütefaktor ZT und werden deshalb in Energiewandlern verwendet. Des Weiteren sind Bi2Te3-basierte Materialien topologische Isolatoren, welche gerade ein hochaktuelles Forschungsfeld sind. Legieren reduziert die Wärmeleitfähigkeit durch Erhöhung der Phononenstreuung, was einen höheren ZT-Wert der Legierung verglichen zu binären Verbindungen zur Folge hat. Elektronenmikroskopie ist die Methode der Wahl, um eine Struktur-Eigenschaftsbeziehung zu erhalten. In dieser Arbeit wurde eine Kombination aus Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) verwendet, um einen weiten Bereich an Längenskalen abzudecken. Verschiedene quantitative Analysemethoden, die Rechenmethoden benötigen, wurden zur Analytik von Bauelementen angewendet: (i) Energiedispersive Röntgenmikroanalyse (EDX) im Rasterelektronenmikroskop in Kombination mit quantitativer Simulation von EDX-Spektren, (ii) aberrationskorrigierte Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) mit zugehöriger Bildsimulation. Für supraleitende Bandleiter stehen Filmdicken in direkter Beziehung zu kritischen Strömen und sind deshalb von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit wurde eine Methode zur Filmdickenbestimmung basierend auf Dickenkalibrierungskurven entwickelt. Dafür wurde die Elektronenstreuung im Wechselwirkungsvolumen für Elektronenenergien bis 30 keV mit Hilfe eines Monte Carlo Ansatzes berechnet, welcher ebenfalls quantitative EDX-Spektrensimulation erlaubt. EDX-Spektren konnten so für komplexe Probengeometrien berechnet werden und in einer einfachen Weise mit experimentell erhaltenen EDX-Spektren verglichen werden. Die Simulation von Elektronentrajektorien und Röntgenintensitäten auf der Mikrometerskala ergibt optimierte Akquisitionsbedingungen mit Hinblick auf die laterale Auflösung, die Genauigkeit der quantitativen Analyse und der Nachweisgrenze. Des Weiteren wurde die Simulation von Elektronentrajektorien verwendet, um die Eindringtiefe der Elektronen zu berechnen und Störstrahlung mit Ursprung im Substrat bei den Dünnfilmen auszuschließen. Diese Methode wurde für hochpräzise wellenlängendispersive Röntgenspektrometrie (WDX), welche eine Bestimmung der Substitutionsatomdefektdichten (antisite defects) in Bi2Te3-basierten Materialien ermöglicht, angewandt. Dunkelfeldbilder, erhalten mit großen Streuwinkeln, (HAADF) im STEM ist die Methode der Wahl, wenn die Nanostruktur von Materialien abgebildet werden soll, da sie einfach zu interpretierende und quantifizierbare Z-Kontrastbilder liefert. Bei aberrationskorrigierten Rastertransmissionselektronenmikroskopen kann der Sondendurchmesser auf weniger als 1 Å reduziert werden und gleichzeitige atomar aufgelöste Bildgebung und Spektroskopie erreicht werden. Die Simulation von z. B. HAADF-Bildern ermöglicht die Struktur- und chemische Zusammensetzung ausgedehnter Kristalldefekte zu bestimmen. Atomar aufgelöste HAADF-Bilder von Bi2Te3-basierten Materialien sowie von DyBa2Cu3O7-x (DyBCO) wurden für verschiedene Probendicken simuliert und mit experimentell aufgenommenen Bildern verglichen. Es wurde gezeigt, dass das Legieren im Realraum auf atomarer Ebene abgebildet werden kann. Im Falle von DyBCO-Bandleitern wurde die atomare Auflösung an verschiedenen Grenzflächen gezeigt. Struktur-Eigenschaftsbeziehungen sind von herausragender Bedeutung, um die Leistungsfähigkeiten von Materialien in Bauelementen durch Maßschneidern der Mikrostruktur bzw. der Chemie zu verbessern. Die Ab-initio Dichtefunktionaltheorie (density functional theory, DFT), welche im Wien2k-Code implementiert ist, erlaubt die Berechnung der elektronischen Bandstruktur auf Basis der Kristallstruktur eines Materials. Diese wurden mit den analytischen Methoden, die in dieser Arbeit benutzt wurden, bestimmt. Mit der Bandstruktur können temperaturabhängige Transportgrößen durch Lösen der linearisierten Boltzmann-Gleichung berechnet werden. Die Softwarepakete BoltzTraP und Wien2k wurden im Rahmen dieser Arbeit eingerichtet und erlaubten die Berechnung von Transporteigenschaften für verschiedene Modifikationen der Kristallstruktur. Für Bi2Te3 wurden die Transportkoeffizienten in Abhängigkeit vom chemischen Potential und der Temperatur berechnet, wobei das chemische Potential direkt mit der Ladungsträgerdichte verbunden ist. Der berechnete Seebeck-Koeffizient hängt stark von der Ladungsträgerdichte ab und stimmte in zufriedenstellender Weise mit den gemessenen Werten überein. Zusammenfassend betrachtet behandeln die hier angewandten Rechenmethoden Streuung von Bloch-Wellen bei verschiedenen Elektronenenergien. Für die Simulation elektronenmikroskopischer Daten müssen hochenergetische Elektronen im Bereich von 5 bis 300 keV Primärelektronenenergie betrachtet werden. Für die Berechnung von Transportkoeffizienten in Kristallen sind die Elektronenenergien im Elektronenvoltbereich und darunter. Die angewandten Rechenmethoden liefern ein erweitertes, quantitatives Verständnis der beteiligten physikalischen Phänomene sowie einen wichtigen Beitrag zur Struktur-Eigenschaftskorrelation von Materialien. CSD-Bandleiter wurden aus flüssigen Ausgangsmaterialien unter Umgebungsdruck hergestellt. Diese Filme wurden mit REM- und TEM-Methoden bzgl. Mikrostruktur untersucht. In CSD-Bandleitern wurden eine stark schwankende Filmdicke, eine hohe Filmrauhigkeit und eine inhomogene chemische Zusammensetzung im Mikrometerbereich gefunden. Für mittels ISD hergestelle Bandleiter können biaxial texturierte MgO-Pufferschichten auf untexturierten Hastelloy-Substraten mittels Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden werden. Die biaxiale Textur ist von entscheidender Bedeutung, um hohe kritische Ströme in supraleitenden Schichten zu erreichen und wurde mit Hilfe von Elektronenbeugung an MgO-Querschnittsproben quantitativ bestimmt. Diese Messungen sind der Schlüssel zur Kontrolle der Texturierung und des Verständnisses der Texturentstehung in der ISD-Methode. Das Wachstum von supraleitenden Schichten mit mehr als einem Mikrometer Schichtdicke ergibt für alle angewandten Abscheidungsverfahren außer ISD einen dramatischen Rückgang in den kritischen Stromdichten. Im Gegensatz dazu wurde in DyBCO-Bandleitern ein linearer Anstieg des kritischen Stromes mit der DyBCO-Filmdicke aufgrund einer hochtexturierten Schicht bei allen Filmdicken beobachtet. Für einen DyBCO-Film mit 5.9 µm Filmdicke wurde ein Rekordwert des kritischen Stromes von 1018 A cm-1 gemessen. Deshalb bietet die ISD-Technologie eine einzigartige Möglichkeit, Dickenbeschränkungen des kritischen Stromes in der Bandleitertechnologie zu überwinden. Diese Dissertation zeigt klar die Grenzen der CSD-Bandleiter-Technologie: (i) die Filmdicke wird wegen der hohen Oberflächenrauhigkeit schlecht kontrolliert, was den kritischen Strom in solchen Filmen begrenzt; (ii) biaxial texturierte YBCO-Filme können nur für Filmdicken wesentlich kleiner als 1 µm hergestellt werden, da in dickeren Filmen die biaxiale Textur im oberen Teil der Filme verloren geht. In großem Unterschied zu diesen Erkenntnissen wurde in ISD-Schichten (i) eine sehr glatte Oberfläche und (ii) eine biaxiale Textur bis zu mehr als 6 µm Filmdicke beobachtet. Die glatte Oberfläche ist eine direkte Folge der biaxialen Textur, welche niederenergetische Kleinwinkelkorngrenzen mit hohen kritischen Stromdichten ergibt.

Zur Modellierung von elektromagnetischen Bandfilterstrukturen wurde eine neue Netzwerkdarstellung vorgestellt. Sie erlaubt die Berechnung des Frequenzverhaltens im Bereich unterhalb der Bandlücke. Für die Bestimmung der Netzwerkelemente wurden einfache Formeln in geschlossener Form angegeben. Zur Berücksichtigung von Randeffekten wurden die Lösungen für Mikrostreifenleitungen für die betrachtete 3D-Geometrie erweitert. Das Netzwerkmodell erlaubt die direkte Einbettung der elektromagnetischen Bandfilterversorgungslagen in eine SPICE-basierte Systemsimulation. Die Validierung des Modells anhand von 3D-Vollwellensimulationen und Messungen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung in dem praktisch interessierenden Frequenzbereich unterhalb der Bandlücke.

Mittels Photolumineszenz(PL)-Spektroskopie werden die Lumineszenzeigenschaften von wurtzitischen MgZnO-Dünnfilmen mit Mg-Konzentrationen im Bereich von 0 ≤ x ≤ 0,35 experimentell untersucht und die gefundenen Zusammenhänge anhand mehrerer im Rahmen dieser Arbeit entwickelter Modelle theoretisch beschrieben. Dabei werden Erklärungen für verschiedene Auswirkungen der Mischkristallunordnung auf die Lumineszenz dieses ternären Mischhalbleiters vorgestellt, welche in der Literatur bisher nicht bzw. nur unvollständig untersucht wurden. Aufgrund der Mischkristallverbreiterung überlagern sich in MgZnO für x > 0,02 die Lumineszenzbeiträge von störstellengebundenen, freien und in Potentialmulden lokalisierten Exzitonen. Sie können daher mittels zeitintegrierter PL nicht spektral getrennt werden. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die verschiedenen Übergänge dennoch durch zeitaufgelöste PL-Messungen unterschieden und identifiziert werden können. Die gemessenen PL-Transienten werden angepasst und die Linienform der Lumineszenzabklingkurven in Abhängigkeit von der PL-Energie analysiert. Die Bewegung der Exzitonen im Mischkristall wird unter Verwendung eines Effektiv-Masse-Modells quantenmechanisch beschrieben und der Einfluss der Mischkristallunordnung auf die optischen Übergänge qualitativ untersucht. Dabei wird insbesondere auf die Mischkristallverbreiterung sowie auf das nichtexponentielle Abklingen der Lumineszenz eingegangen. Daneben wird ein Tunnelmodell vorgestellt, mit welchem die zeitverzögerten PL-Spektren von MgZnO quantitativ reproduziert werden können. Dabei wird die asymmetrische Linienform sowie die zeitabhängige Rotverschiebung des Emissionsmaximums modelliert und die Parameter auf mikroskopische Eigenschaften der Exzitonen zurückgeführt. Außerdem wird die für Mischkristalle typische S-förmige Verschiebung des temperaturabhängigen PL-Maximums durch ein modifiziertes Arrheniusmodell erklärt.

Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotube, CNT) sind vielversprechende Kandidaten für den Ersatz von Kupferleitbahnen die bei weiterer Strukturverkleinerung von integrierten Schaltkreisen notwendig wird. In dieser Arbeit wird mit Hilfe von ab-initio Simulationen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie die elektronische Struktur von halbleitenden CNTs beispielhaft anhand des (8,4)-CNTs untersucht. Nach Besetzung des CNT mit Metallatomen, hier Kobalt, zeigen sich massive Änderungen der Bandstruktur. Es reichen bereits überraschend kleine Mengen des Metalls aus, um einen starken Effekt zu erreichen. Die Änderungen der elektronischen Struktur sind stark abhängig von der genauen Position der Metallatome relativ zum Kohlenstoffgerüst der CNTs, der Einfluss der mechanischen Verformung des CNTs als Reaktion auf die Anlagerung ist hingegen sehr gering. Die relevanten Bänder der Kobaltatome liegen leicht unterhalt der Fermi-Energie und sorgen bei der Integration in die Bandstruktur des CNTs für die Schließung der Bandlücke und somit für die Transformation eines vorher halbleitenden CNTs in ein leitendes. Diese Transformation konnte auch mit Simulationsrechnungen zum Elektronentransport bestätigt werden. Ferner wurden bei weiteren Rechnungen eine ausgeprägte Spinabhängigkeit der Bandstruktur ermittelt, welche noch weiterer Untersuchung bedarf.

Solid state physics comprises many interesting physical phenomena driven by the complex interplay of the crystal structure, magnetic and orbital degrees of freedom, quantum fluctuations and correlation. The discovery of materials which exhibit exotic phenomena like low dimensional magnetism, superconductivity, thermoelectricity or multiferroic behavior leads to various applications which even directly influence our daily live. For such technical applications and the purposive modification of materials, the understanding of the underlying mechanisms in solids is a precondition. Nowadays DFT based band structure programs become broadly available with the possibility to calculate systems with several hundreds of atoms in reasonable time scales and high accuracy using standard computers due to the rapid technical and conceptional development in the last decades. These improvements allow to study physical properties of solids from their crystal structure and support the search for underlying mechanisms of different phenomena from microscopic grounds. This thesis focuses on the theoretical description of low dimensional magnets and intermetallic compounds. We combine DFT based electronic structure and model calculations to develop the magnetic properties of the compounds from microscopic grounds. The developed, intuitive pictures were challenged by model simulations with various experiments, probing microscopic and macroscopic properties, such as thermodynamic measurements, high field magnetization, nuclear magnetic resonance or electron spin resonance experiments. This combined approach allows to investigate the close interplay of the crystal structure and the magnetic properties of complex materials in close collaboration with experimentalists. In turn, the systematic variation of intrinsic parameters by substitution or of extrinsic factors, like magnetic field, temperature or pressure is an efficient way to probe the derived models. Especially pressure allows a continuous change of the crystal structure on a rather large energy scale without the chemical complexity of substitution, thus being an ideal tool to consistently alter the electronic structure in a controlled way. Our theoretical results not only provide reliable descriptions of real materials, exhibiting disorder, partial site occupation and/or strong correlations, but also predict fascinating phenomena upon extreme conditions. In parts this theoretical predictions were already confirmed by own experiments on large scale facilities. Whereas in the first part of this work the main purpose was to develop reliable magnetic models of low dimensional magnets, in the second part we unraveled the underlying mechanism for different phase transitions upon pressure. In more detail, the first part of this thesis is focused on the magnetic ground states of spin 1/2 transition metal compounds which show fascinating phase diagrams with many unusual ground states, including various types of magnetic order, like helical states exhibiting different pitch angles, driven by the intimate interplay of structural details and quantum fluctuations. The exact arrangement and the connection of the magnetically active building blocks within these materials determine the hybridization, orbital occupation, and orbital orientation, this way altering the exchange paths and strengths of magnetic interaction within the system and consequently being crucial for the formation of the respective ground states. The spin 1/2 transition metal compounds, which have been investigated in this work, illustrate the great variety of exciting phenomena fueling the huge interest in this class of materials. We focused on cuprates with magnetically active CuO4 plaquettes, mainly arranged into edge sharing geometries. The influence of structural peculiarities, as distortion, folding, changed bonding angles, substitution or exchanged ligands has been studied with respect to their relevance for the magnetic ground state. Besides the detailed description of the magnetic ground states of selected compounds, we attempted to unravel the origin for the formation of a particular magnetic ground state by deriving general trends and relations for this class of compounds. The details of the treatment of the correlation and influence of structural peculiarities like distortion or the bond angles are evaluated carefully. In the second part of this work we presented the results of joint theoretical and experimental studies for intermetallic compounds, all exhibiting an isostructural phase transition upon pressure. Many different driving forces for such phase transitions are known like quantum fluctuations, valence instabilities or magnetic ordering. The combination of extensive computational studies and high pressure XRD, XAS and XMCD experiments using synchrotron radiation reveals completely different underlying mechanism for the onset of the phase transitions in YCo5, SrFe2As2 and EuPd3Bx. This thesis demonstrates on a series of complex compounds that the combination of ab-initio electronic structure calculations with numerical simulations and with various experimental techniques is an extremely powerful tool for a successful description of the intriguing quantum phenomena in solids. This approach is able to reduce the complex behavior of real materials to simple but appropriate models, this way providing a deep understanding for the underlying mechanisms and an intuitive picture for many phenomena. In addition, the close interaction of theory and experiment stimulates the improvement and refinement of the methods in both areas, pioneering the grounds for more and more precise descriptions. Further pushing the limits of these mighty techniques will not only be a precondition for the success of fundamental research at the frontier between physics and chemistry, but also enables an advanced material design on computational grounds.:Contents List of abbreviations 1. Introduction 2. Methods 2.1. Electronic structure and magnetic models for real compounds 2.1.1. Describing a solid 2.1.2. Basic exchange and correlation functionals 2.1.3. Strong correlations 2.1.4. Band structure codes 2.1.5. Disorder and vacancies 2.1.6. Models on top of DFT 2.2. X-ray diffraction and x-ray absorption at extreme conditions 2.2.1. Diamond anvil cells 2.2.2. ID09 - XRD under pressure 2.2.3. ID24 - XAS and XMCD under pressure 3. Low dimensional magnets 3.1. Materials 3.1.1 AgCuVO4 - a model compound between two archetypes of Cu-O chains 3.1.2 Li2ZrCuO4 - in close vicinity to a quantum critical point 3.1.3 PbCuSO4(OH)2 -magnetic exchange ruled by H 3.1.4 CuCl2 and CuBr2 - flipping magnetic orbitals by crystal water 3.1.5 Na3Cu2SbO6 and Na2Cu2TeO6 - alternating chain systems 3.1.6 Cu2(PO3)2CH2 - magnetic vs. structural dimers 3.1.7 Cu2PO4OH - orbital order between dimers and chains 3.1.8 A2CuEO6 - an new family of spin 1/2 square lattice compounds 3.2. General trends and relations 3.2.1. Approximation for the treatment of strong correlation 3.2.2. Structural elements 4. Magnetic intermetallic compounds under extreme conditions 115 4.1. Itinerant magnets 4.1.1. YCo5 - a direct proof for a magneto elastic transition by XMCD 4.1.2. SrFe2As2 - symmetry-preserving lattice collapse 4.2. Localized magnets 4.2.1. EuPd3Bx - valence transition under doping and pressure 5. Summary and outlook A. Technical details B. Crystal Structures C. Supporting Material Bibliography List of Publications Acknowledgments

Photonic crystals are periodic dielectric structures that may exhibit a complete photonic band gap. First, I discuss geometric properties of the band structure such as band edges. In a second part, I present work on photonic Wannier functions and their use for solving the wave equation. The third part is devoted to applications of the presented methods: A polarization resolved transmission experiment of opel films and an analogy experiment for spontaneous emission inside a photonic crystal.

no abstract

The bulk and surface electronic structure of In2 O3 has proved controversial, prompting the current combined experimental and theoretical investigation. The band gap of single-crystalline In2 O3 is determined as 2.93±0.15 and 3.02±0.15 eV for the cubic bixbyite and rhombohedral polymorphs, respectively. The valence-band density of states is investigated from x-ray photoemission spectroscopy measurements and density-functional theory calculations. These show excellent agreement, supporting the absence of any significant indirect nature of the In2 O3 band gap. Clear experimental evidence for an s-d coupling between In4d and O2s derived states is also observed. Electron accumulation, recently reported at the (001) surface of bixbyite material, is also shown to be present at the bixbyite (111) surface and the (0001) surface of rhombohedral In2 O3. © 2009 The American Physical Society.

In this thesis four important physical and material aspects faced by MOSFET devices as dimensions move to the length scale of 10nm have been investigated: i) metal source/drain contacts with dopant segregation for reduced contact resistance and improved carrier injection; ii) variability of the Schottky-barrier height (SBH) in MOSFET contacts; iii) strained silicon as a high mobility channel material; iv) silicon nanowire (NW) MOSFETs in order to suppress short channel effects by a multi-gate architecture. Ultimately scaled devices require highly conductive contacts with abrupt junctions. However, due to Fermi-level pinning at the metal-semiconductor interface, the performance of SB-MOSFETs still falls behind that of conventional FETs. Nickel-silicidation induced dopant segregation is highly effective in improving carrier injection through SBs, resulting in higher Ion/Ioff -ratios and better sub-threshold swings. Arsenic dopant segregation has been studied in detail as a function of NiSi thickness, implantation energy and dose, as well as process conditions for the formation of NiSi. It is shown that dopant concentrations as high as the solid solubility and lateral dopant slopes of 1-2nm/dec at the NiSi/Si-contact interface can be obtained. Simulations of scaled ultra-thin-body SOI MOSFETs with dopant segregation demonstrated that these devices can be scaled down to channel lengths of L=10nm. Variability in the electrical characteristics of SB-MOSFETs without and with dopant segregation has been investigated by a new experimental method, that allows to measure the impact of various sources leading to variability. The inherent variability of the SBH has been identifed as the main source of variability and an increase in SBH variability due to dopant segregation by 0.01eV was found. The importance of SBH variability for the on-current, even for very low SBHs of 0.03eV, was demonstrated with simulations. High mobility channel materials are required, as the steady increase of carrier velocity with gate-length scaling reaches its limit. Several aspects of the fabrication of biaxial tensile strained SSOI substrates by strain transfer between a thin SiGe buffer and a Si cap layer have been investigated with emphasis on reducing the threading dislocation density to 1x10e6cm-2. Thin SiGe/Si-heterostructure lines featuring highly asymmetric strain were fabricated that show decreased resistivities for electrons and holes. Asymmetric strain relaxation relies on the limitation of the path length of threading dislocations by the stripe boundaries in thin SiGe/Si lines, leading to an asymmetrical dislocation network. The electrical properties of biaxial tensile strained (001) SSOI with a stress of 1.2GPa have been studied using Hall-bar MOSFETs. SSOI devices showed improved on-currents, mobilities and transconductances over unstrained parallel processed devices. The mobility in n-type SSOI had a peak value of 1250 cm2/Vs at low vertical electric field, an enhancement by a factor of 1.7 compared to unstrained Si. The impact of biaxial strain on the electron affinity was determined by measuring threshold voltage shifts between strained and unstrained devices. The effective electron mass in 60nm biaxial tensile strained (001) SSOI and unstrained SOI was determined to be meff = 0.20m0 from Shubnikov-de Haas oscillations in the longitudinal resistance. This proves that biaxial tensile stress of 1.2GPa does not warp the Delta2 constant energy surfaces of the Si conduction band for in-plane directions, in agreement with band structure calculations. The mobility increase in biaxial tensile strained SSOI is, therefore, caused by the occupation of the Delta2-valleys with low effective electron mass mt in transport direction and reduced scattering due to a smaller k-space volume. To avoid short channel effects in ultimately scaled FETs multi-gate geometries have to be used. A fully CMOS compatible fabrication process for Si NW-FETs has been developed and devices with trapezoidal cross-sections of about 40x40nm2 were fabricated, featuring excellent electrical characteristics. Current flow on different crystal planes in multi-gate devices has been used to take advantage of the anisotropy of conductivity in Si in order to match the on-currents of n- and p-type MOSFETs with the same dimensions. Improved electron mobility due to strain and excellent electrostatics due to a multi-gate architecture were combined in a uniaxial tensile strained NW-FET. Size-dependent lateral strain relaxation of nanostructures was used to transform biaxial tensile strain into uniaxial tensile strain along the NW. Uniaxial tensile strained NW n-FETs show a factor x 2.3 enhanced mobility and improvements in on-current and transconductance by a factor of x 2.5 and x 2.1, respectively. Circular suspended NWs with diameters down to

29849600 bytes, Nachdem in früheren Veröffentlichungen das experimentell sehr gut untersuchte ferromagnetische, kubisch flächenzentrierte (fcc) Nickel mit der Multiband-Gutzwiller-Methode unter Berücksichtigung der Spin-Bahn-Kopplung untersucht worden ist, und dabei eine sehr gute Übereinstimmung mit dem Experiment erzielt worden ist, wurde im Rahmen dieser Dissertation die Multiband-Gutzwiller-Methode unter Berücksichtigung der Spin-Bahn-Kopplung auf ferromagnetisches, kubisch raumzentriertes (bcc) Nickel angewendet. Da bcc Nickel bisher experimentell noch nicht ausreichend untersucht worden ist, sind einige der erhaltenen Resultate Voraussagen, die experimentell verifiziert werden können. Dies gilt für Details der Bandstruktur, die sich von der ebenfalls berechneten Bandstruktur in Dichtefunktionaltheorie unterscheiden, für die Topologie des Fermikörpers, der durch den Einfluss der Spin-Bahn-Kopplung verändert wird, und den orbitalen Anteil des magnetischen Momentes, der durch die Spin-Bahn-Kopplung induziert wird.

In semiconductor superlattices, the carrier band structure can be tailored by the proper choice of their geometry. Therefore, superlattices are a model system for the study of coherent high-field transport phenomena in a periodic potential with applied static electric field. This thesis is structured in two parts. I. Zener Tunneling in Semiconductor Superlattices. In this work,semiconductor superlattices with shallow barriers and narrow band gaps were employed to investigate the Zener breakdown. In these samples, tunneling in the electron Wannier-Stark ladder spectrum is addressed as coupling of the electron states of a single bound below-barrier band to the states of the above-barrier spectrum. The field-dependent evolution of the Wannier-Stark ladder states was traced in the optical interband spectrum. Superlattices with different geometries were employed, to clarify the influence of the particular miniband structure on the Zener tunneling behavior. It was shown that in the presence of Zener tunneling, the Wannier-Stark ladder picture becomes invalid. Tunneling is demonstrated to lead to a field-induced delocalization of Wannier-Stark ladder states. In addition, the coherent polarization lifetime was analyzed as a measure of the tunneling probability. II. Terahertz Emission of Exciton Wave Packets in Semiconductor Superlattices. By means of Terahertz spectroscopy, the coherent intraband dynamics of exciton wave packets in biased superlattices after the selective ultrafast excitation of the Wannier-Stark ladder spectrum was investigated. The dynamics of Bloch oscillations was investigated under broadband excitation. It is demonstrated, that the Bloch oscillation amplitude can be controlled by altering the pump pulse energy. The xperimental results can only be explained in a full exciton picture, incorporating bound 1s exciton states and the associated exciton in-plane continuum. The intraband dipole of single Wannier-Stark ladder excitons was measured by detecting the Terhartz response after excitation of the Wannier-Stark ladder with a spectrally narrow rectangular pump pulse. In addition, experiments revealed a previously unknown mechanism for the generation of Bloch oscillating exciton wave packets. This was demonstrated for an incident pump spectrum which was too narrow to excite a superposition of Wannier-Stark ladder states. The effect is based on the sudden, non-adiabatic, change in the net dc internal field due to creation of electron-hole pairs with permanent dipole moments. The non-adiabatic generation of Bloch oscillations is a highly nonlinear effect mediated by strong exciton-exciton interactions.The central role that play exciton-exciton interactions in the intraband dynamics became especially evident when the Wannier-Stark ladder was selectively excited by two spectrally narrow laser lines. The experiments demonstrated a resonant enhancement of the intraband transition matrix element when 1s exciton wavepackets are excited. In Halbleiter-Übergittern kann die Bandstruktur von Ladungsträgern durch die geeignete Wahl der Geometrie eingestellt werden. Deshalb sind Halbleiter-Übergitter ein Modellsystem für Untersuchungen des kohärenten Ladungstransportes im periodischen Potential bei hohen, statischen, elektrischen Feldern. Diese Doktorarbeit ist in zwei Teile untergliedert. I. Zener-Tunneln in Halbleiter-Übergittern In dieser Arbeit werden Halbleiter-Übergitter mit flachen Barrieren und schmalen Bandlücken eingesetzt, um den Effekt des Zener-Durchbruchs zu untersuchen. In diesen Strukturen wird das Zener-Tunneln im Elektronen-Spektrum der Wannier-Stark-Leiter adressiert. Dabei handelt es sich um die Kopplung von Elektronen-Zuständen eines einzelnen Minibandes unterhalb der Potentialbarriere des Quantentopfes mit Zuständen oberhalb der Barriere. Die Feldabhängigkeit der Wannier-Stark-Leiter-Zustände wurde im optischen Interband-Spektrum detektiert. Übergitter mit unterschiedlichen Geometrien wurden untersucht, um den Einfluss der spezifischen Miniband-Struktur auf die Charakteristiken des Zener-Tunnelns aufzuklären. Es wurde gezeigt, dass im Regime des Zener-Tunnelns das Wannier-Stark-Leiter-Bild nicht mehr gültig ist. Dabei wird demonstriert, dass Tunneln zu einer feldabhängigen Delokalisierung der Wannier-Stark-Leiter-Zustände führt. Außerdem wird die Kohärenz-Lebensdauer der Polarisation analysiert. Sie bildet die Tunneln-Wahrscheinlichkeit ab. II. Terahertz Emission von Exzitonen-Wellen-Paketen in Halbleiter-Übergittern Mit Hilfe von Terahertz-Spektroskopie wurde die kohärente Intraband-Dynamik von Exzitonen-Wellen-Paketen in vorgespannten Halbleiter-Übergittern nach der selektiven, ultrakurzen Anregung des Wannier-Stark-Leiter-Spektrums untersucht. Die Dynamik von Bloch-Oszillatonen wurde durch spektral breitbandiger Anregung detektiert. Es wird gezeigt, dass die Amplitude von Bloch-Oszillationen durch die Änderung der Energie des Anrege-Pulses beeinflusst werden kann. Die experimentellen Resultate können nur in einem ganzheitlichen Exzitonenbild erklärt werden. Es umfaßt die gebundenen 1s-Exziton-Zustände und das zugehörige Exzitonen-Kontinuum in der Quantentopfschicht. Der Intraband-Dipol einzelner Wannier-Stark-Leiter-Exzitonen wurde durch die Detektion der Terahertz-Antwort auf die Anregung der Wannier-Stark-Leiter mit einem spektral schmalen Anrege-Puls vermessen. Außerdem wird in den Experimenten ein zuvor ungekannten Mechanismus der Anregung von bloch-oszillierenden Wellen-Paketen beobachtet. Dieser Effekt wird für ein eingestrahltes Anrege-Spektrum, welches spektral zu schmal für die Anregung einer Überlagerung von Wannier-Stark-Leiter-Zuständen ist, demonstriert. Der Mechanismus basiert auf die unmittelbare, nicht-adiabatische Änderung des effektiven, internen, statischen Feldes auf Grund der Anregung von Elektron-Loch-Paaren mit permanentem Dipolmoment. Die nicht-adiabatische Anregung von Bloch-Oszillationen ist ein hoch nicht-linearer Effekt, der durch starke Exziton-Exziton Wechselwirkung vermittelt wird. Die zentrale Rolle, die die Exziton-Exziton Wechselwirkung in der Intraband-Dynamik spielt, wurde besonders deutlich bei der selektiven Anregung der Wannier-Stark-Leiter durch zwei spekral schmale Laserlinien. Die Experimente demonstrieren eine resonante Überhöhung des Intraband-Übergangs-Matrix-Elements, wenn 1s-Exziton-Wellen-Pakete angeregt werden.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Präparation strukturell geordneter Dünnschichtverbindungen der Seltenen Erden Ce und Dy mit den Übergangsmetallen Pd, Rh, und Ni sowie der Untersuchung ihrer kristallinen und elektronischen Struktur. Die Präparation der typischerweise 10 nm starken Dünnschichten erfolgte in-situ durch Aufdampfen der Seltenerdmetalle auf einkristalline Übergangsmetallsubstrate oder alternativ durch Kodeposition der Konstituenten auf einen W(110)-Einkristall, jeweils gefolgt durch kurzzeitiges Tempern bei 400 - 1000 °C zur Einstellung der kristallinen Ordnung. Letztere wurde mittels niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) analysiert und auf der Grundlage einer einfachen kinematischen Theorie ausgewertet. Die Untersuchungen der elektronischen Struktur erfolgten mittels winkelaufgelöster Photoemission (ARPES), teilweise unter Nutzung von Synchrotronstrahlung von BESSY. Schwerpunkt bildete dabei das Verhalten der Valenzbänder als Funktion von Struktur und Zusammensetzung der Dünnschichten unter besonderer Berücksichtigung von Oberflächenphänomenen. Gemessene Energiedispersionen wurden mit Ergebnissen eigens dafür durchgeführter LDA-LCAO-Rechnungen verglichen und beobachtete Energieverschiebungen der Bandschwerpunkte um z.T. mehr als 1 eV im Rahmen eines einfachen Modells auf unvollständige Abschirmung der Photoemissionsendzustände zurückgeführt. The present thesis deals with preparation of structurally ordered thin-film compounds of the rare-earths Ce and Dy with the transition metals Pd, Rh, and Ni as well as with investigations of their crystalline and electronic structures. Typically 10nm-thick films were grown in-situ by deposition of the rare-earth metals onto single crystalline transition-metal substrates or alternatively by codeposition of both constituents onto a W(110) single crystal. In both cases deposition was followed by short-term annealing at temperatures of 400 - 1000 °C to achieve crystalline order. The latter was analyzed by means of low-energy electron-diffraction (LEED) and evaluated on the basis of a simple kinematic theory. The electronic structure was investigated by means of angle-resolved photoemission (ARPES), partially exploiting synchrotron radiation from BESSY. The studies concentrate mainly on the behavior of the valence bands as a function of structure and composition of the thin films, particularly under consideration of surface phenomena. Measured energy dispersions were compared with results of LDA-LCAO calculations performed in the framework of this thesis. Observed shifts of the energy bands by up to 1 eV are attributed in the light of a simple model to incomplete screening of the photoemission final states.

In this work a systematic method for determining correlated wavefunctions of extended systems in the ground state as well as in excited states is presented. It allows to fully exploit the power of quantum-chemical programs designed for correlation calculations of finite molecules. Using localized Hartree-Fock (HF) orbitals (both occupied and virtual ones), an effective Hamiltonian which can easily be transferred from finite to infinite systems is built up. Correlation corrections to the matrix elements of the effective Hamiltonian are derived from clusters using an incremental scheme. To treat the correlation effects, multireference configuration interaction (MRCI) calculations with singly and doubly excited configurations (SD) are performed. This way one is able to generate both valence and conduction bands where all correlation effects in the excited states as well as in the ground state of the system are taken into account. An appropriate size-extensivity correction to the MRCI(SD) correlation energies is developed which takes into account the open-shell character of the excited states. This approach is applicable to a wide range of polymers and crystals. In the present work trans-polyacetylene is chosen as a test system. The corresponding band structure is obtained with the correlation of all electrons in the system being included on a very high level of sophistication. The account of correlation effects leads to substantial shifts of the "center-of-mass" positions of the bands (valence bands are shifted upwards and conduction bands downwards) and a flattening of all bands compared to the corresponding HF band structure. The method reaches the quantum-chemical level of accuracy. Further an extention of the above approach to excitons (optical excitations) in crystals is developed which allows to use standard quantum-chemical methods to describe the electron-hole pairs and to finally obtain excitonic bands.

This work investigates the defect energies, band alignments, and charge carrier recombination in polycrystalline Cu(In1-xGax)(Se1-ySy)2 chalcopyrite thin films and the interrelationship with the alloy composition. Photoluminescence spectroscopy of investigated Cu-poor Cu(In,Ga)(Se,S)2 layers generally shows broad emission lines with the corresponding maxima shifting towards higher energies under decreasing temperature or under increasing excitation power. Admittance spectroscopy of Cu-poor ZnO/CdS/Cu(In,Ga)(Se,S)2 chalcopyrite devices shows that the activation energies of the dominant defect distributions involving donors at the CdS/absorber interface and deep acceptors in the chalcopyrite bulk, increase upon alloying CuInSe2 with S. The band alignments within the Cu(In1-xGax)(Se1-ySy)2 system are determined using the energy position of the bulk acceptor state as a reference. The band gap enlargement under Ga alloying is accommodated almost exclusively in the rise of the conduction band edge, whereas the increase of band gap upon alloying with S is shared between comparable valence and conduction band offsets. The extrapolated band discontinuities [delta]EV(CuInSe2/CuInS2) = -0.23 eV, [delta]EC(CuInSe2/CuInS2) = 0.21 eV, [delta]EV(CuInSe2/CuGaSe2) = 0.036 eV, and [delta]EC(CuInSe2/CuGaSe2) = 0.7 eV are in good agreement with theoretical predictions. Current-voltage analysis of Cu-poor ZnO/CdS/Cu(In,Ga)(Se,S)2 devices reveals recombination barriers which follow the band gap energy of the absorber irrespective of alloy composition, as expected for dominant recombination in the chalcopyrite bulk. In turn, the recombination at the active junction interface prevails in Cu-rich devices which display substantially smaller barriers when compared to the band gap energy of the absorber. The result indicates that the Cu-stoichiometry is the driving compositional parameter for the charge carrier recombination in the chalcopyrite heterojunctions under investigations.

Das gitterfehlangepaßte Kristallwachstum führt unter bestimmten Bedingungen zu einem 3-D Wachstumsmodus, der oft Stranski-Krastanow-Wachstum genannt wird. Resultierende Strukturgrößen liegen in der Größenordnung 10 nm und die Halbleiterstrukturen besitzen daher Quanteneigenschaften. Sie stehen im Fokus grundlagenwissenschaftlichen Interesses, da künstliche Atome und Dimensionalitätseffekte an ihnen untersucht werden können. Auch von der Anwendungsseite wächst das Interesse, da niederdimensionale Strukturen hoher Kristallqualität und mit hoher gestalterischer Freiheit geschaffen werden können. In dieser Arbeit wurden Mischhalbleiter-Heterostrukturen der Dimensionalität d= 0,1 und 2 mittels Gasphasen-MBE hergestellt. Ziel war eine Korrelation der strukturellen mit den elektronischen und optischen Eigenschaften. Selbstformierende Quantendrähte und Quantenpunkte in leitfähigen Kanälen wurden in ihrem Einfluß auf den lateralen Transport untersucht. Weiterhin wird dargestellt, wie zusätzliche, durch Quantenpunkte induzierte Oberflächenzustände eine deutliche Verschiebung der Energie des Oberflächen-Ferminiveau-Pinning einer (100)-GaAs-Oberfläche verursachen. Der senkrechte Elektronentransport durch Quantenpunkte dient der Untersuchung von Dot-induzierten, tiefen elektronischen Zuständen und der Erklärung eines eindimensionalen Modells elektronischer Kopplung zwischen denselben. Zusätzlich führen uns die Ergebnisse optischer Messungen zu einem besseren Verständnis des Vorgangs der Dotformierung und der elektronischen Kopplung zwischen zufällig verteilten Quantenpunkten. The lattice-mismatched epitaxial growth is known to induce a three-dimensional growth mode often referred to as Stranski-Krastanov growth. The resulting structures have typical sizes of 10 nm and possess quantum properties, which are of fundamental physical interest, since artificial atoms and dimensionality effects can be studied. There is a growing interest from an applicational point of view also, since low dimensional structures of a high crystal quality and of a high degree of designerabillity can be created. In this work such structures of a dimensionality d=0,1 and 2 based on compound semiconductors have been designed and prepared by molecular beam epitaxy to perform comparative studies with respect to their electronic, structural and optical properties. Self assembled quantum wires and dots in conductive channels have been examined according to their influence on lateral electrical transport. It is demonstrated how additional surface states from quantum dots cause a distinct shift in the Surface Fermi-level of a GaAs (100) surface. Vertical transport through dots is used to support a model of one-dimensional coupling between deep states induced by the dots. Additionally, optical investigations let us attain a better understanding of the process of dot formation and the electronic coupling between the randomly distributed dots.

Die vorliegende Arbeit beschreibt den Aufbau und die Inbetriebnahme eines neuartigen Photoelektronenspektrometers, welches sich durch seinen extrem großen Akzeptanzwinkel auszeichnet. Damit gelingt es die komplette Winkelverteilung der von Festkörpern emittierten Photoelektronen innerhalb weniger Sekunden zu messen. Beschrieben werden sowohl die elektronenoptischen Rechnungen, als auch die Software zur Bildaufnahme und Analyse. Durch Messungen an Modellsystemen wie Ta und der Kupfer [111] Oberfläche werden die Energie- und Winkelauflösung zu DE = 75 meV und Dj = 1.2° bestimmt. Mit diesem Analysator wurde dann die elektronische Struktur von bedeckten Siliziumoberflächen untersucht. Für die Arsen terminierte Siliziumoberfläche (Si[111]: As 1x1) wurde die Dispersionsrelation des Oberflächenzustands in der gesamten ersten Brillouinzone untersucht. Dieser hat eine Bandbreite von 1.7 eV und stimmt mit Quasiteilchen-Bandstrukturrechnungen sehr gut überein. Die Dispersionsrelation der mit Natrium bedeckte Si[111]: 7x7 Oberfläche wurde hier erstmalig untersucht. Durch Vergleich dieser Messungen mit denen an Natrium bedeckten Si[111]:2x1 Oberflächen wurde gezeigt, dass die Bandstruktur alkalibedeckter Halbleiteroberflächen von der elektronischen Wechselwirkung innerhalb der Alkalischicht dominiert wird, und dass der Einfluss des Substrats vergleichsweise schwach ist., This thesis describes the building and installation of a novel photoelectron analyzer, which is characterized by an extremely large acceptance angle. It allows to collect the complete angular distribution of photoelectrons emitted by solids in only a few seconds. The thesis describes electron optical calculations for the instrument as well as the dedicated software which allows image acquisition and analysis. Using model substances like Ta or the Cu[111] surface the energy and angular resolutions were determined to be DE = 75 meV and Dj = 1.2°, respectively. Using the analyzer the electronic structure of adsorbate covered silicon surfaces was studied. For arsenic terminated silicon (Si[111]: As 1x1) the dispersion relation of the surface state was determined in the complete first Brillouin-zone. It agrees well with quasiparticle bandstructure calculations and has a band width of 1.7eV. The bandstructure of the sodium covered Si[111]: 7x7 was studied here for the first time. Comparing it to sodium covered Si[111]:2x1 surfaces showed that the dispersion relation is dominated by inralayer interactions. Effects of the underlying substrate are much weaker.

In dieser Arbeit wurden winkelaufgeloeste Photoemissionsuntersuchungen (ARUPS)und Messungen der Reflexionsanisotropie (RAS) durchgefuehrt. Fuer die Experimente standen p-3C-SiC(001)/n-3C-SiC(001)/n-Si-Proben zur Verfuegung. Den Mittelpunkt bildeten sowohl die Praeparation verschiedener Oberflaechen- rekonstruktionen als auch die oben genannten Untersuchungsmethoden. Fuer die Praeparation wurden zwei unterschiedliche Heizverfahren verwendet - die Elektronenstoßheizung und die direkte Heizung. Die Charakterisierung der Oberflaechenrekonstruktion erfolgte mittels LEED. Die Untersuchungen wurden an den Hauptrekonstruktionen der (001)-Oberflaeche des kubischen Siliziumkarbids - der (3x2)-, der (2x1)- und der c(2x2)- Rekonstruktion - durchgefuehrt, welche mit der direkten Heizmethode praepa- riert worden waren. Aus den winkelaufgeloesten Photoemissionsspektren konnten die jeweiligen Oberflaechenbandstrukturen ermittelt werden. Daraus ließen sich Schlußfolgerungen ueber die Ausbildung von Oberflaechenzustaenden bzw. Oberflaechenresonanzen treffen. Die RAS-Spektren zeigten für alle Rekonstruk- tionen deutlich unterschiedliche Verlaeufe.

Die elektronischen Eigenschaften von in-situ hergestellten Eisen/Silizium-Grenzflächen- schichten und Eisen-Silizium-Legierungen werden mittels Photoelektronenspektroskopie (UPS, XPS) untersucht. Die Grenzflächenschichten entstehen durch Bedampfen reiner Siliziumsubstrate unterschiedlicher Oberflächenstruktur mit Eisen bei einer nominellen Bedeckung von 0,1 - 15 Monolagen. Die Eisen-Silizium-Legierungen werden im gesamten Konzentrationsbereich durch Raumtemperaturabscheidung auf inerten Substraten präpariert und sind i.a. im amorphen Zustand. Sowohl amorphe als auch getemperte, polykristalline Legierungen werden systematisch untersucht. Neben der Messung von Valenzbandeigen- schaften werden lokale chemische und magnetische Eigenschaften mittels hochaufgelöster Rumpfniveauspektroskopie bestimmt. Die gemessenen Valenzbänder der amorphen Legierungen werden mit Bandstrukturrech- nungen amorpher Eisen-Bor-Legierungen verglichen. Die gute Übereinstimmung charakteristischer Valenzbandstrukturen lassen vermuten, daß die im Eisen-Bor-System vorherrschende p-d-Hybridisierung ebenfalls einen wichtigen Beitrag zur Bandstruktur des Eisen-Silizium-Systems liefert. Die lokalen chemischen und magnetischen Eigenschaften werden anhand einer ausführlichen Linienformanalyse des Fe2p3/2-Rumpfniveaus ermittelt. Unter Einbeziehung von Vielteilcheneffekten lassen sich die Linienparameter i.a. qualitativ und für die Bindungsenergieverschiebung in Abhängigkeit von der Legierungszusammen- setzung auch quantitativ verstehen. Die Valenzband- und die lokalen Eigenschaften werden für einen ausführlichen Vergleich zwischen Grenzflächenschichten und Legierungen genutzt. Es zeigt sich, daß Eisenbedeckungen bis 3,5 Monolagen zu homogen amorphen und in ihrer Zusammensetzung durchstimmbaren Legierungen führen.

The quasibinary compounds (Pb, Sr)Se and (Pb, Eu)Se are compared with each other and with PbSe regarding the shape of the interband optical absorption edge and the photoluminescence spectra. No differences in the edge are detected without magnetic field, if scaling with composition of the gap and of the effective masses is taken into account. Thus admixing of d states from the paramagnetic Eu2+ ions should not take place in the composition up to 10 at.% EuSe. In (Pb, Eu)Se an additional luminescence line was detected, and was attributed to transitions from the conduction band to the Eu2+ 4f states. In magnetic fields up to 7 T this line does not shift, whereas the interband line shifts with B. This shift cannot be explained by the Zeeman and spin splitting of the band states alone, but additional spin-spin interaction between the localized 4f and extended valence band states is proposed.

The influence of both compressive and tensile strain on semiconductor lasers and optical amplifiers is reevaluated in the light of recent experimental and theoretical work. Strain reduces the three-dimensional symmetry of the lattice and helps match the wave functions of the holes to the one-dimensional symmetry of the laser beam. It can also decrease the density of states at the valence band maximum and so reduce the carrier density required to reach threshold. These two effects appear to adequately explain the TE and TM gain in compressive and tensile structures, including polarization-independent amplifiers, the behavior of visible lasers and the improved frequency characteristics of InGaAs/GaAs lasers. In 1.5 mym InGaAsP/InP lasers phonon-assisted Auger recombination appears to remain the dominant current path and can explain why the temperature sensitivity parameter T0 remains smaller than 100 K at room temperature.

Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotubes, CNTs) sind Dank ihrer außergewöhnlichen elektrischen Eigenschaften Kandidaten für eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich der Mikroelektronik. Ihre ballistischen Transporteigenschaften und die geringe Anfälligkeit auf Elektromigration sind vorteilhaft für die Anwendung von CNTs in Interconnectsystemen. Die Abhängigkeit der elektrischen Transporteigenschaften von mechanischer Verformung bildet weiterhin die Grundlage für die Produktion neuartiger Sensoren auf CNT-Basis. Durch die Besetzung mit Adatomen können diese Eigenschaften dabei weiter verbessert und bei der Herstellung gezielt eingestellt werden. Die Verformung besetzter CNTs ist dabei ein noch relativ unerforschtes Gebiet. In dieser Arbeit wird dieses Verhalten untersucht. Zu Beginn wird gezeigt, dass die Eigenschaften von CNTs durch die Besetzung mit verschiedenen Metallen auf unterschiedliche Weise beeinflusst werden können. Dazu gehören auch Unterschiede zwischen den Spinzuständen, welche bei einigen der untersuchten Metalle auftreten. Durch die axiale Verformung der CNTs wird abschließend gezeigt, dass die Sensoreigenschaften von CNTs auch nach der Besetzung mit Metallen erhalten bleiben.:Zusammenfassung 1. Einleitung 2. Übersicht über Kohlenstoffnanoröhrchen 2.1. Geometrische Eigenschaften 2.1.1. Kohlenstoff als Grundbaustein für Graphen und CNTs 2.1.2. Geometrie von CNTs ausgehend von Graphen 2.2. Elektrische Struktur von Graphen und CNTs 2.3. Piezoelektrisches Verhalten 3. Theoretische Grundlagen 3.1. Dichtefunktionaltheorie 3.1.1. Grundproblem und Motivation 3.1.2. Grundstein der DFT - das Hohenberg-Kohn-Theorem 3.1.3. Praktische Umsetzung - die Kohn-Sham-Gleichungen 3.1.4. Abschätzung des Austausch-Korrelations-Funktionals 3.2. Grundlagen zum elektrischen Transport 3.2.1. Kurze Einführung zu Transportrechnungen 3.2.2. Landauer-Büttiker-Formalismus 4. Numerische Methoden 4.1. Initialisierung und Manipulation der Strukturen 4.2. Umsetzung der DFT 5. Berechnungen und Ergebnisse 5.1. Wahl des Modellsystems 5.1.1. Das zu untersuchende CNT 5.1.2. Auswahl der Adatome 5.2. Wahl der Parameter 5.3. Einige Überlegungen zum unbesetzten (8,4)-CNT 5.4. Untersuchung der Gleichgewichtspositionen 5.5. Analyse der Bandstruktur des besetzten CNTs 5.6. Einfluss auf Leitfähigkeit und Widerstand 5.7. Untersuchung der Spineigenschaften 5.8. Besetzungsgrad von Pd 5.9. Verformung der funktionalisierten CNTs 5.9.1. Implementation 5.9.2. Veränderungen der Struktur 5.9.3. Verhalten der Bandlücke bei einfacher Besetzung 5.9.4. Verhalten der Bandlücke bei mehrfacher Besetzung 5.9.5. Vergleich der verschieden besetzten CNTs bei Streckung 5.9.6. Verhalten des elektrischen Widerstandes bei Streckung 6. Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick Literaturverzeichnis A. Bandstrukturen bei Verformung B. Transmissionsfunktionen für Besetzungsgrade C. Danksagung D. Selbstständigkeitserklärung

Die Synthese von selbst-anordnenden Monoschichten (SAMs) organischer Moleküle hat sich sowohl als ökonomische, als auch effiziente Technik zur Oberflächenmodifizierung von Metallen und deren Oxiden etabliert. Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist die Oberflächenfunktionalisierung von Gold und Oxid-bedecktem Kupfer mit Phenothiazin-Derivaten. Dies erlaubt die Manipulation der elektronischen Struktur an der Grenzfläche. Mit Hilfe elektrochemischer Messungen konnte der Einfluss der energetischen Lage der Grenzorbitale, des "highest occupied molecular orbital" (HOMO) und des "lowest unoccupied molecular orbital" (LUMO), und der Austrittsarbeit, auf die elektrochemischen Eigenschaften des Materials bestimmt werden. In Zuge dessen wurde das Lösemittel als Schlüsselfaktor in der Oberflächenmodifizierung von Oxid-bedecktem Kupfer bestimmt. Weiterhin konnte Goldauflösung in Schwefelsäure, als auch die Bildung einer Schutzschicht in Natriumhydroxid nachgewiesen werden., Self-assembly of organic molecules is an efficient and economical bottom-up technique to synthesise ultra-thin organic monolayers of high purity with well defined structures. In the present study, this technique was exploited to synthesise phenothiazine based self-assembled monolayers (SAMs) on polycrystalline gold and oxide-covered copper to systematically alter the interfacial electronic structure of the system. Performing electrochemical measurements in aqueous electrolytes, a correlation matrix was obtained, showing the effect of the alignment of the frontier orbitals and the work function on the electron transfer characteristics of the metal/semiconductor. Furthermore, while the solvent was identified playing a key role in the synthesis of SAMs on oxide-covered copper, unexpected electrochemical behaviour of polycrystalline gold in aqueous electrolytes was observed, showing gold dissolution in sulfuric acid as well as formation of a protective layer in sodium hydroxide.

In dieser Dissertation werden ab initio Theorien zur Beschreibung der Zustände von perfekten halbleitenden und nichtleitenden Kristallen, unter Berücksichtigung elektronischer Korrelationen, abgeleitet und angewandt. Als Ausgangsbasis dient hierzu die Hartree-Fock Approximation in Verbindung mit Wannier-Orbitalen. Darauf aufbauend studiere ich zunächst in Teil I der Abhandlung den Grundzustand der wasserstoffbrückengebundenen Fluorwasserstoff und Chlorwasserstoff zick-zack Ketten und analysiere die langreichweitigen Korrelationsbeiträge. Dabei mache ich die Basissatzextrapolationstechniken, die für kleine Moleküle entwickelt wurden, zur Berechnung von hochgenauen Bindungsenergien von Kristallen nutzbar. In Teil II der Arbeit leite ich zunächst eine quantenfeldtheoretische ab initio Beschreibung von Elektroneneinfangzuständen und Lochzuständen in Kristallen her. Grundlage hierbei ist das etablierte algebraische diagrammatische Konstruktionsschema (ADC) zur Approximation der Selbstenergie für die Bestimmung der Vielteilchen-Green's-Funktion mittels der Dyson-Gleichung. Die volle Translationssymmetrie des Problems wird hierbei beachtet und die Lokalität elektronischer Korrelationen ausgenutzt. Das resultierende Schema wird Kristallorbital-ADC (CO-ADC) genannt. Ich berechne damit die Quasiteilchenbandstruktur einer Fluorwasserstoffkette und eines Lithiumfluoridkristalls. In beiden Fällen erhalte ich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen meinen Resultaten und den Ergebnissen aus anderen Methoden. In this dissertation, theories for the ab initio description of the states of perfect semiconducting and insulating crystals are derived and applied. Electron correlations are treated thoroughly based on the Hartree-Fock approximation formulated in terms of Wannier orbitals. In part I of the treatise, I study the ground state of hydrogen-bonded hydrogen fluoride and hydrogen chloride zig-zag chains. I analyse the long-range contributions of electron correlations. Thereby, I employ basis set extrapolation techniques, which have originally been developed for small molecules, to also obtain highly accurate binding energies of crystals. In part II of the thesis, I devise an ab initio description of the electron attachment and electron removal states of crystals using methods of quantum field theory. I harness the well-established algebraic diagrammatic construction scheme (ADC) to approximate the self-energy, used in conjunction with the Dyson equation, to determine the many-particle Green's function for crystals. Thereby, the translational symmetry of the problem and the locality of electron correlations are fully exploited. The resulting scheme is termed crystal orbital ADC (CO-ADC). It is applied to obtain the quasiparticle band structure of a hydrogen fluoride chain and a lithium fluoride crystal. In both cases, a very good agreement of my results to those determined with other methods is observed.