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Gegenstand dieser Arbeit ist die Herstellung und Charakterisierung von metall-organisch deponierten (MOD) Pufferschichten für den Hochtemperatursupraleiter YBa2Cu3O7 . Dazu wurde die Texturbildung in CeO2, Gd-dotiertem CeO2 (CGO) und Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid (YSZ) durch epitaktisches Wachstum auf YSZ-Substraten verschiedener Rauhigkeit und Textur untersucht. Nach Deposition der Precursorlösung (Ce-Acetylacetonat in einem Essigsäure/iso-Propanolgemisch) mittels Spin-coating wurden die Proben in einer Ar/H2-Athmosphäre bzw. an Luft bei 700-1300°C ausgelagert, wobei zunächst ein nanokristallines Gefüge entsteht.Nach Bildung einer epitaktischen Keimschicht an der Substratoberfläche konkurrieren während des weiteren Wachstums Kornvergröberung in der polykristallinen Deckschicht und epitaktisches Schichtwachstum miteinander. Die treibende Kraft für beide Prozesse resultiert dabei aus der hohen Korngrenzenergiedichte des nanokristallinen Precursorgefüges. Das Schichtwachstum wurde u.a. mit Röntgenverfahren und RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) verfolgt. Eine biaxiale Textur wurde mit Röntgenverfahren im Falle des CGO auf YSZ-(001)-Einkristallen schon bei Auslagerungstemperaturen von ca. 790°C beobachtet, während eine epitaxiefähige Oberfläche erst bei Temperaturen von 1200-1300°C auftrat. Bei Auslagerungstemperaturen von 790°C verhindert eine untexturierte Deckschicht in der MOD-Schicht ein epitaktisches Anwachsen des YBa2Cu3O7.Die Untersuchung des Wachstumsverhaltens auf technischen IBAD(Ion-Beam-Assisted-Deposition)-YSZ Substraten ergab, daß die Oberflächenrauhigkeit die maßgebliche Einflussgröße ist, die die Erhöhung der mit Röntgenmethoden gemessenen optimalen Auslagerungsbedingungen bestimmt.Die Eignung der mit MOD hergestellten Pufferschichten als Substrat für ein biaxiales Aufwachsen der supraleitenden Schicht wurde durch die hohen Stromtragfähigkeiten nachgewiesen, die in den supraleitenden Filmen erreicht wurden.

In this thesis the morphology and the atomic structure of quasi-one-dimensional structures grown on Si were determined by means of diffraction experiments in combination with kinematic diffraction theory calculations. In the first and the second study a formerly unknown superstructure of Dy/Tb on Si(111) was characterized by means of STM, DFT, SPA-LEED experiments and kinematic diffraction calculations. Here, a structure model could be proposed which contains half as many subsurface Si vacancies as compared to the well-known superstructure of Dy/Tb on Si(111) it was derived from. Due to the decreased number of subsurface Si vacancies the reconstruction is subject to an uni-axial strain which is mitigated by the formation of domains separated by anti-phase domain boundaries. It could be shown that two different types of domains alternate across the surface forming quasi-one-dimensional domains. Additionally, the distribution of the domains could be derived by comparison with kinematic diffraction calculations. In the third study a deeper insight into the complex system of bundled rare-earth silicide nanowires on Si(001) was given. Here, the distributions of the NW width, the bundle width and the bundle distance were deduced from the diffraction patterns collected by SPA-LEED and the subsequent comparison to kinematic diffraction theory calculations. Additionally, it was shown that the (2 x 1) reconstruction sometimes observed on top of the NWs by STM cannot exist over larger parts of the sample and instead a (1 x 1) reconstruction needs to be assumed to explain the experimentally observed diffraction data. In the fourth study the atomic structure of the gold induced atomic wires of the Si(111)-(5 x 2)-Au system was analyzed. The Patterson function of the in-plane SXRD data was compared to the Patterson functions derived from the atomic structure models proposed in literature (AN, EBH, KK) ruling out the AN-model. By comparison of the experimental out-of-plane SXRD data to the corresponding (calculated) SXRD data for the EBH- and the KK-model the KK-model could be identified as the most probable model. Additionally, a refined atomic structure model was derived for the KK-model. In conclusion, the results presented in this thesis clearly display the power of diffraction experiments especially in conjunction with the comparison to kinematic diffraction theory calculations and prove that they are applicable even to low dimensional (e.g., quasi-one-dimensional) structures. Furthermore, it was shown that diffraction experiments can deliver complementary information (e.g., information on deeper atomic layers) as compared to local probing methods (e.g. STM or Atomic Force Microscopy) and especially the combination of local probing methods, DFT calculations and diffraction experiments allows for the explanation of even very complicated material systems.

The discovery of superconductivity in iron-based pnictides in 2008 gave rise to a high advance in the research of high-temperature superconductors. But up to now there is no generally admitted theory of the non-BCS mechanism of these superconductors. The electron and hole doped Ba122 (BaFe2As2) compounds investigated in this thesis are supposed to be suitable model systems for studying the electronic behavior in order to shed light on the superconducting mechanisms. The 3d-transiton metal doped Ba122 compounds are investigated using the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray absorption spectroscopy (XAS), X-ray emission spectroscopy (XES) and X-ray magnetic circular dichroism (XMCD), while the completely hole doped K122 is observed using XPS. The experimental measurements are complemented by theoretical calculations. A further new class of superconductors is represented by the electride 12CaO*7Al2O3: Here superconductivity can be realized by electrons accommodated in the crystallographic sub-nanometer-sized cavities, while the mother compound is a wide band gap insulator. Electronic structure investigations, represented by XPS, XAS and resonant X-ray photoelectron spectroscopy (ResPES), carried out in this work, should help to illuminate this unconventional superconductivity and resolve a debate of competing models for explaining the existence of superconductivity in this compound.

In this work the transient non-instantaneous polarization, i.e., laser-pulse injected small polarons and self-trapped excitons, is studied in the perovskite-like ferroelectric lithium niobate. The investigations span a time scale from femtoseconds to several hours. It is shown that the established small polaron picture is not able to describe transient absorption and photoluminescence of lithium niobate consistently. Several strong indications are presented demonstrating that the photoluminescence cannot be caused by geminate small polaron annihilation. Instead, the idea of radiatively decaying self-trapped excitons at the origin of the blue-green photoluminescence is revived. Excitons pinned on defect sites are proposed to lead to the already observed long-lived transient absorption in the blue spectral range in Mg- and Fe-doped crystals. Excitons pinned on iron-defects are studied in more detail. Their spectral fingerprint and absorption cross section is determined. Furthermore, it is shown that the occurrence of these pinned STEs can be tailored by chemical treatment of the samples and the experimental parameters such as the pump pulse intensity and photon energy. Based on the new experimental results and reviewing data published in literature, an atomistic picture of hopping and pinning of self-trapped excitons in lithium niobate is proposed. The question is addressed whether small polarons and self-trapped excitons in lithium niobate are coupled species in the sense that oppositely-charged polarons may merge into self-trapped excitons or STEs break into small polaron pairs. Decay kinetics of transient absorption and luminescence assigned to free small polarons and STEs indicate that this is not the case. For a more complete picture the ultrafast time scale is investigated as well. The formation times of small polarons and STEs are determined, which both lie in the range of 200 fs. No indications are found on the (sub)picosecond time scale indicating a coupling of both quasi-particle species either. In order to gain access to the formation of self-trapped excitons a custom-built femtosecond broadband fluorescence upconversion spectrometer is installed. Based on an already existing scheme, it is adapted to the inspection of weakly luminescent solid samples by changing to an all reflective geometry for luminescence collection. To avoid the necessity for an experimentally determined photometric correction of the used setup, an already established calculation method is extended considering the finite spectral bandwidth of the gate pulses. The findings presented here are important not only as fundamental research, but also regarding the technical application of lithium niobate and other similar nonlinear optical crystals. The simultaneous occurrence of both small polarons and self-trapped excitons is a rather rarely described phenomenon. Usually, the optical response of wide band gap oxide dielectrics is associated with only one of these quasi-particle species. This work may therefore be a stimulus to review the existing microscopic models for transient phenomena in other oxide dielectrics, which may help to improve their application in nonlinear optical and electro-optical devices. In this context the ultrafast transient photoluminescence spectroscopy established here for weakly luminescing solid samples may again provide valuable insight. With respect to lithium niobate, the results do not only resolve inconsistencies between the microscopic pictures described in literature, but also provide information regarding the extends to which the propagation of ultrashort laser pulses may be affected by (pinned-)STE absorption. It is shown that tailoring of the long-lived absorption center in the blue spectral range is possible, which may be used to avoid optical damage when high repetition rates are applied. It is important to emphasize that the microscopic model proposed in this work is mainly based on experimental indications. It is the task of further detailed theoretical investigations, e.g., via time-dependent density functional theory, to test whether the proposed model is justified. From an experimental perspective the important question remains whether (pinned-)STEs contribute to a photorefractive effect. In the experimentally easily accessible spectral range no absorption feature of mobile STEs is observed. As a complementary experimental technique, ultrafast holographic spectroscopy may reveal an excitonic contribution to photorefraction and provide further insight to STE transport and pinning phenomena.

In this work the structural transitions of the rare earth oxides praseodymia and ceria grown on Si(111) are investigated. It is demonstrated that several of the rare earth intermediate phases can be stabilizied by post deposition annealing in ultra high vacuum. However, in most cases no single phased but coexisting species are observed. In addition, the surface structure and morphology of hex-Pr2O3(0001) as well as reduced ceria films are investigated.

Das epitaktische Wachstum von III-V Verbundhalbleitern aber auch von Germaniumpufferschichten auf Germaniumsubstraten bildet bspw. das Fundament zur Herstellung von Triple bzw. Multi Junction Solarzellen. Dies erfolgt mittels etablierter Verfahren, wie der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE). Die Germaniumsubstrate liegen üblicherweise in Form von Wafern einer Dicke von mehr als 150 µm vor. Um die Solarzellen bspw. entsprechend ihrer Anwendungsgebiete im Weltraum oder der Mikroelektronik zu optimieren, bedarf es einer signifikanten Schichtdickenreduzierung. Standardprozesse, die dies gewährleisten beinhalten chemische, wie auch mechanische Arbeitsschritte, die sich überaus nachteilig auf eine Wiederverwendung der abgetragenen Germaniumschicht auswirken. Eine Möglichkeit das Germaniumsubstrat auf eine Zieldicke von einigen Mikrometern zu minimieren, sowie die Verwendung des restlichen Germaniumsubstrats zu gewährleisten basiert auf der Herstellung eines porösen Germaniumschichtstapels, sowie einem anschließenden Hochtemperaturprozess. Dieses Verfahren wird als Layer Transfer Prozesses (LTP) bzw. Lift-off bezeichnet. In der vorliegenden Arbeit wird die bipolare elektrochemische Porosifikation p-dotierter Germaniumsubstrate in wässriger Flusssäure, sowie das Tempern mesoporöser Schichtstapel unter Wasserstoffatmosphäre untersucht. Dabei sollte allgemein ein tieferes Verständnis des Ätzvorgangs, sowie der resultierenden porösen Schichten in Abhängigkeit der Ätzparameter erfolgen. Diesbezüglich wurden zunächst Ätzexperimente unter Verwendung konstanter Parameter, sogenannte einstufige Ätzexperimente, durchgeführt. Die Ätzstrome lagen für alle Experimente bei (0.25 – 7) mA/cm2 unter Verwendung der Pulsdauern von (0.25 – 2) s und Gesamtprozessdauern von bis zu 230 Minuten. Es hat sich gezeigt, dass unter Verwendung konstanter Parameter die Herstellung eines porösen Schichtstapels im Sinne eines Lift-off Prozesses ausgeschlossen ist. Focussed Ion Beam Milling Experimente an ausgewählten porösen Schichten, basierend auf einstufigen Ätzexperimenten, konnten allerdings die Porositätsverläufe in Abhängigkeiten der porösen Schichtdicke offenbaren. Auf diese Weise konnten die verästelten (Pinetree & Fishbone), sowie schwammartigen (Sponge) porösen Strukturen aufgrund von Porositätswerten zwischen 0% - 50% als potenzielle Epitaxievorlagen nach dem Tempern identifiziert werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Bedingung zur Durchführung erfolgreicher Focussed Ion Beam Milling Experimente in besonderem Maße von der Probendicke, sowie der Beschleunigungsspannung der Galliumkationen abhängt. Auf diese Weise generierte „Stapel“ an REM-Bildern wurden anschließend zur 3D-Rekonstruktion der verästelten Struktur herangezogen. Des Weiteren konnte mit Hilfe der Polystyrol-Infiltration ausgewählter poröser Schichten, deren anschließender Kalteinbettung in Kunststoff, einem Schleifvorgang, sowie anschließender Auflösung des Kunstoffs in Toluol, eine weitere Charakterisierungsmethode etabliert werden. Diese erlaubt es Einflüsse auf die poröse Schicht, bspw. Brechartefakte oder unebene Bruchstellen, zu vernachlässigen. Der Vorteil dieser Methode liegt in der überaus kürzeren Auswertung der Messdaten zur Bestimmung der Porositätsverläufe in Abhängigkeit der porösen Schichtdicke im Vergleich zum Focussed Ion Beam Milling. Weiterhin wurden basierend auf den Erkenntnissen der einstufigen Ätzexperimente zwei- und mehrstufige Ätzexperimente durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die poröse Schichtform und Porosität nach dem ersten Ätzprozess ausschlaggebend für das Resultat nach dem bzw. den Anschlussprozess(en) ist. So tendieren hochporöse schwammartige Strukturen zu einer Steigerung der Porosität, sowie einer Transformation zu einer dendritischen Form. Überwiegt zusätzlich die Ätzpulsdauer die Passivierpulsdauer kommt es beinahe bei jeglicher porösen Ausgangsschicht zu einer Ablösung der porösen Gesamtschicht nach dem Anschlussprozess. Eine Transformation der Ausgangsschicht erfolgte nicht für das Vorliegen einer niederporösen verästelten Struktur, sowie einer kürzeren Ätzpulsdauer als der Passivierpulsdauer für alle anschließenden Ätzprozesse. Zusätzlich konnte die Verwendung eines Passivierprozesses dazu beitragen, poröse Schichten sukzessive herzustellen ohne eine signifikante Veränderung der bereits vorliegenden Schichten herbeizuführen. In diesem Sinne gelang eine gezielte Steigerung der Porosität im Sinne des Lift-off Prozesses. Die Wirkungsweise der Anschlussprozesse konnte auf das Vorliegen verschieden ausgedehnter und an Ladungsträger verarmter Zonen währen des Ätz- bzw. Passivierpulses in Kombination mit der Hydroxid-Passivierung der Germaniumoberflächenatome zurückgeführt werden. Sodann erfolgte das Tempern von drei verschiedenen porösen Schichtstapeln bestehend aus verästelten und schwammartigen Strukturen bei Temperaturen von 700 °C & 800 °C für 30 Minuten unter Wasserstoffatmosphäre. Es hat sich gezeigt, dass niederporöse verästelte Strukturen als Diffusionsbarriere wirken und zugleich beim Vorhanden hochporöser schwammartiger Strukturen eine Diffusion lateral zur Waferoberfläche begünstigen kann. Rasterkraftmikroskopuntersuchungen konnten weiterhin bestätigen, dass die quadratische Rauigkeit der Oberfläche bei einer Annealingtemperatur von 800 °C und insbesondere beim Vorliegen niederporöser verästelter Strukturen in unmittelbarer Nähe der Waferoberfläche sinkt. Zusammenfassend bieten die Ergebnisse dieser Arbeit ein umfassendes Verständnis für die Herstellung verschiedener poröser Germaniumschichten. Im Zusammenhang mit den durchgeführten Annealingexperimenten können diese gezielt zur Herstellung eines Schichtstapels im Sinne des Lift-off Prozesses verwendet werden. Erste Epitaxieexperimente von InGaAs und InGaP zeigten anhand der ermittelten Threading Dislocation Densities (TDD) bereits einen vielversprechenden Trend auf.

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