Der rapide Anstieg der Bevölkerung führt zu einer dramatischen Zunahme des Brennstoff- und Energiebedarfs. Längerfristig kann die nachhaltige Energieversorgung der Menschheit nur durch erneuerbare Energiequellen gewährleistet werden. Dies motiviert die Bemühungen um alternative, sauberere Brennstofftechnologien wie z.B. die Erzeugung von Wasserstoff. Diese Arbeit untersucht die Verbesserung der optoelektronischen Eigenschaften von Silizium Photokathoden, durch optische Nanostrukturen, die die Reflexion mittels optischer Resonanzen reduzieren. Wir konzentrieren uns dabei auf die Entwicklung von Nanostrukturen , die optische Konzepte wie Mie-Resonanzen und periodische Indexprofilierung nutzen. Um diese optischen Nanostrukturen zu realisieren, verwenden wir zwei Herstellungsverfahren. Die Verfahren werden durch einen iterativen Ansatz optimiert, um zu den Nanostrukturen mit den gewünschten optischen Eigenschaften zu gelangen. Die erste Art von Nanostrukturen gehört zur Klasse der Meta-Oberflächen (Metasurfaces) und wird durch Elektronenstrahl- Lithographie und Top-Down-Herstellung implementiert. Die optischen Spektren dieser Strukturen werden dann mit Hilfe von Simulation und Experimenten eingehend untersucht. Die zweite Art von Nanostrukturen basiert auf Änderungen des Brechzahlprofils von dielektrischen periodischen Nanostrukturen. Diese Strukturen werden durch Maskenlithographie mittels Polystyrol-Kugeln hergestellt. Auch bei diesen Strukturen werden die optischen Eigenschaften vermessen und ihre physikalischen Bedeutung mit Hilfe von numerischen Simulationen analysiert. Um den Einfluss dieser Strukturen auf die Kurzschlussstromdichten von Silizium Photokathoden zu demonstrieren, charakterisieren wir den Photostrom, der über einen Silizium-Elektrolyt-pn-Übergang mit und ohne Nanostrukturen gemessen wird. Zusammenfassend stellen wir einen Vergleich der Antireflexionseigenschaften der beiden entwickelten Strukturen sowie eine Verbesserung der photoelektrochemischen Funktionalität vor. Daraus leiten wir Ideen für zukünftige Oberflächendesigns ab, welche die noch bestehenden Nachteile beider Strukturen überwinden. / Global fuel and energy demands continue to increase due to the rapid rise in population and the dependence of this increasing population on exisiting energy resources for its sustainance. This has led to efforts in developing cleaner fuel sources such as hydrogen generation. This thesis focuses on demonstrating the optical benefit of nanostructures to improve the optoelectronic functioning of silicon photocathodes which aid in hydrogen generation via nanostructured antireflection. We lay our focus on the development of nanostructures which utilise optical concepts such as Mie type resonances based on metasurfaces and periodic index profiling. Computational design is used to obtain structure parameters for achieving desired effects. To implement these optical effects we take aid of two methods of fabrication. These fabrication methods are optimised via iterative trials to arrive at nanostructures of high quality. The first type of nanostructures belong to the metasurface class. These are implemented by e-beam lithography and top down processing. The optical spectra are then comapred with aid of simulation and experiments. The second type of nanostructures belong to the class of gradually varying periodic nanostructures. We obtain these via iterative fabrication using colloidal mask lithography. In a subsequent step we analyse experimentally their optical spectra and with aid of simulations analyse their physical implication. To demonstrate an optical benefit of these structures on enhancing the short circuit current densities of silicon photocathodes, we characterise the photocurrent measured across the silicon-electrolyte pn-junction with and without nanostructures and evaluate this increase. In conclusion, we provide a comparison of the antireflection properties offered by the two developed structures as well as in terms of improving photoelectrochemical environment. As an outlook, we propose ideas to overcome the existing drawbacks of both structures.

Die rasanten Fortschritte bei der Entwicklung neuartiger 2D-Materialien haben in den letzten Jahren auch das Forschungsfeld der Spintronik stetig bereichert aufgrund der vielseitigen physikalischen Eigenschaften und der Flexibilität hinsichtlich der Realisierung von Heterostrukturen. Das erst kürzlich entdeckte metastabile und geschichtete Material alpha-FeGe2 trägt das Potenzial, in die Klasse der bekannten 2D Materialien aufgenommen zu werden. In dieser Dissertation werden die elektrischen und magnetischen Eigenschaften von alpha-FeGe2 diskutiert, basierend auf elektrischen Transportmessungen bei unterschiedlichen äußeren Magnetfeldern und Temperaturen. Zur Untersuchung von magnetoresistiven Effekten wurden Spinventilstrukturen mit alpha-FeGe2 als Trennmaterial zwischen zwei metallische Ferromagnete verwendet. Es wird gezeigt, dass alpha-FeGe2 eine dickenabhängige kritische Temperatur besitzt, die bei etwa 100 K liegt und mit einem magnetischen Phasenübergang von der antiferromagnetischen Phase für T > 100 K in die ferromagnetische Phase bei T < 100 K verknüpft ist. Dieser Phasenübergang wird von Berechnungen aus der Dichtefunktionaltheorie (DFT) gestützt. Es wird gezeigt, dass die magnetische Ordnung in der alpha-FeGe2-Trennschicht einen starken Einfluss auf die Spinventilsignale ausübt. Insbesondere spielt hierbei die Auswirkung auf die magnetische Interschichtkopllung zwischen den ferromagnetischen Elektroden aus Fe3Si oder Co2FeSi eine entscheidende Rolle. Die magnetische Kopplung an der Grenzfläche zwischen antiferromagnetischem alpha-FeGe2 und Fe3Si führt zu einer Anisotropie in den Spinventilsignalen hinsichtlich der Orientierung des externen Magnetfeldes. Diese Anisotropie wird durch ein komplexes Zusammenspiel zwischen der Magnetisierung der ferromagnetischen Elektroden und der magnetischen Vorzugsrichtung des antiferromagnetischen alpha-FeGe2, die durch den sog. Néelvektor beschrieben wird, diskutiert. / The rapid progress in the development of new 2D materials have also enriched spintronic research in recent years, thanks to their versatile physical properties and flexibility with regard to the design of heterostructures. The prominent examples graphene and transition metal dichalcogenides (TMDs) have the prospect to represent the basis of future spintronic applications, in particular due to their tunability and multifunctionality. The recently discovered metastable layered material alpha-FeGe2 is a potential candidate for being added to this class of materials. In this work, the electrical and magnetic properties of alpha-FeGe2 are studied, based on results from electrical transport measurements at different external magnetic fields and temperatures. For the investigation of magnetoresistive effects, spin valve devices containing alpha-FeGe2 as a spacer layer between two metallic ferromagnets have been utilized. It is shown that alpha-FeGe2 exhibits a thickens dependent critical temperature around 100 K at which it undergoes a magnetic phase transition from an antiferromagnetic state at T > 100 K to a ferromagnetic state at T < 100 K. This phase transition is also predicted by density functional theory (DFT) calculations and reflected in a disappearing spin valve signal at low temperatures. It is demonstrated that the magnetic phase of the alpha-FeGe2 spacer strongly influences the performance of spin valves, particularly via the impact on the magnetic interlayer coupling between the ferromagnetic electrodes made of Fe3Si or Co2FeSi. The magnetic coupling at the interface between antiferromagnetic alpha-FeGe2 and Fe3Si was found to induce anisotropies in the spin valve signal with regard to the external magnetic field orientation. This anisotropy is explained in terms of a complex interplay between the misalignment between the ferromagnetic electrodes and the magnetically preferred direction of the antiferromagentic alpha-FeGe2 described by the Néel vector.

In dieser Arbeit werden das Wachstum und die Charakterisierung der Heterostruktur eines FeFET auf der Grundlage von BaSnO3, LaInO3 und (K,Na)NbO3 Schichten untersucht. Für jedes Material wurden die Wachstumsbedingungen bestimmt und im Hinblick auf die strukturellen und elektrischen Eigenschaften optimiert. Epitaktische BaSnO3 Filme, die auf SrTiO3 Substraten gewachsen sind, weisen eine hohe Dichte an Versetzungen auf, die ihre elektrischen Eigenschaften beeinträchtigen. Die Verwendung von NdScO3 Substraten und Einführung einer SrSnO3 Pufferschicht verbesserten die strukturellen und elektrischen Eigenschaften der BaSnO3 Schichten. Dies ermöglichte schließlich Untersuchungen an der LaInO3/BaSnO3 Grenzfläche. Schon eine geringe La-Dotierung der BaSnO3 Schicht von 0,3 % führte zur Bildung eines 2DEG nach der Grenzflächenbildung und damit zum Einschluss von Elektronen an der Grenzfläche. Dies konnte durch C-V, Van-der-Pauw und Hall-Effekt-Messungen eindeutig nachgewiesen werden. Eine deutliche Verbesserung der strukturellen und elektrischen Eigenschaften der BaSnO3 Schichten wurde durch die Verwendung von LaInO3:Ba Substraten erreicht. Diese sind gitterangepasst an BaSnO3, sodass zum ersten Mal vollständig verspannte Schichten ohne Versetzungen gewachsen werden konnten. Strukturelle und elektrische Eigenschaften von (K,Na)NbO3 Schichten wurden auf SrRuO3/DyScO3 und SrTiO3:Nb-Substraten untersucht. Auf diese Weise wurden der Einfluss der Gitterdehnung auf die kritische Schichtdicke und die Prozesse der plastischen Relaxation des Gitters bestimmt. Die elektrische Charakterisierung ergab einen hohen Leckstrom, der durch strukturelle Defekte verursacht wird. Die gesamte FeFET Heterostruktur wurde auf LaInO3:Ba Substraten gewachsen und untersucht. BaSnO3 und LaInO3 Schichten wuchsen kohärent, während (K,Na)NbO3 Schichten eine plastische Gitterrelaxation aufwiesen. Das führte zur Bildung von Strukturdefekten und zu einer Verschlechterung der ferroelektrischen Eigenschaften. / In this thesis, the design, growth and characterisation of the heterostructure of a FeFET based on BaSnO3, LaInO3 and (K,Na)NbO3 thin films are investigated. For each material, the growth conditions were determined and optimised with respect to their structural and electrical properties. Epitaxial BaSnO3 thin films grown on SrTiO3 substrates exhibit a high density of threading dislocations, which degrade their electrical properties. The use of NdScO3 substrates and the introduction of a SrSnO3 buffer layer improved the structural and electrical properties of the BaSnO3 thin films. This finally allowed investigations on the LaInO3/BaSnO3 heterointerface. Even a low La doping of the BaSnO3 layer of 0.3 % led to the formation of a 2DEG after interface formation and thus to the confinement of electrons at the interface. This could be clearly demonstrated by C-V, Van-der-Pauw and Hall effect measurements. A significant improvement of the structural and electrical properties of the BaSnO3 thin films was achieved by using LaInO3:Ba substrates. These are lattice-matched to BaSnO3 so that, for the first time, fully strained thin films could be grown without dislocations. Structural and electrical properties of (K,Na)NbO3 thin films were investigated on SrRuO3/DyScO3 and SrTiO3:Nb substrates. In this way, the influence of lattice strain on the critical film thickness and plastic lattice relaxation were determined. Their electrical characterisation revealed a high leakage current caused by structural defects. Therefore, the entire FeFET heterostructure was grown and investigated on LaInO3:Ba substrates. The BaSnO3 and LaInO3 thin films were grown coherently, while the (K,Na)NbO3 thin films exhibited plastic lattice relaxation. This led to the formation of structural defects and consequently to a deterioration of their ferroelectric properties.

Die Ausbreitung antimikrobieller Resistenzen stellt ein zunehmendes gesundheitliches und gesellschaftliches Risiko dar. Alternative antimikrobielle Verfahren mit einem geringen Resistenzpotenzial, breiten Wirkspektrum und geringen Umweltrisiko gewinnen an Bedeutung. Ein solches Verfahren stellt die Photodynamische Inaktivierung (PDI) dar. Ihr Wirkmechanismus beruht auf der photosensibilisierten Anregung von Singulettsauerstoff (1O2), der durch oxidativen Stress zum Zelltod führt. Der für die katalytische Aktivierung des Sauerstoffs verantwortliche Photosensibilisator (PS), muss nicht in die Mikroorganismen eindringen und wird durch sichtbares Licht angeregt. Die Übertragung einer stationär vermittelten PDI auf Oberflächen erscheint daher besonders sinnvoll. In der vorliegenden Arbeit werden erstmalig zwei Ansätze untersucht, die sowohl kommerzielle Substrate als auch industrielle Standardverfahren zur Oberflächenveredelung verwenden: Eine Elektronenstrahl-Funktionalisierung von Mikrofiltrationsmembranen und eine textiltechnologische Funktionalisierung von Polyestergeweben, insbesondere Reinraumtextilien. Für die Charakterisierung der Polymeroberflächen werden neben Versuchen zur Zellviabilität, optisch-spektroskopische Methoden und erstmalig orts- sowie zeit-aufgelöste Messungen der 1O2-Lumineszenz herangezogen. Im Resultat erweisen sich beide Funktionalisierungsansätze als geeignet für eine stationär vermittelte PDI. Dabei sind die textiltechnologisch funktionalisierten Polyestergewebe besonders Wirkungsvoll und erzielen bereits nach kurzer Weißlichtbestrahlung von unter 30 Minuten eine antimikrobielle Wirkung. Die Messungen der 1O2-Lumineszenzkinetik erweisen sich als eine vielversprechende Methode eine mögliche PDI-Aktivität vorab zu bewerten und bei der Entwicklung wichtige Impulse für die Oberflächenfunktionalisierung zu setzen. Schließlich ist eine systematisierte Methodologie zur Bewertung PDI-aktiver Oberflächen ein wesentliches Resultat dieser Arbeit. / The spread of antimicrobial resistance is an increasing health and social risk. Alternative antimicrobial methods with a low resistance potential, broad spectrum of activity and low environmental risk are gaining importance. Photodynamic inactivation (PDI) is one such method. Its mechanism of action is based on the photosensitised excitation of singlet oxygen (1O2), which leads to cell death through oxidative stress. The photosensitizer (PS), which is responsible for the catalytic activation of the oxygen, does not have to penetrate the microorganisms and is excited by visible light. The transfer of a stationary-mediated PDI to surfaces therefore seems particularly useful. In the present work, two approaches are investigated for the first time that use both commercial substrates and standard industrial processes for surface modification: An electron beam functionalisation of microfiltration membranes and a textile-technological functionalisation of polyester fabrics, especially cleanroom textiles. In addition to experiments on cell viability, optical spectroscopic methods and, for the first time, spatially and temporally resolved measurements of 1O2 luminescence are used to characterise the polymer surfaces. As a result, both functionalisation approaches prove to be suitable for a stationary-mediated PDI. The textile-technologically functionalised polyester fabrics are particularly effective and achieve an antimicrobial effect after only a short white light irradiation of less than 30 minutes. Measurements of 1O2 luminescence kinetics are proving to be a promising method of evaluating possible PDI activity in advance and providing important impetus for surface functionalisation during development. Finally, a systematised methodology for the evaluation of PDI-active surfaces is an essential result of this work.

Der Quantenkaskadenlaser hat sich als die beste Technologie für das mittlere Infrarot erwiesen, da sich seine Emissionswellenläge durch die Änderung seiner Geometrie einstellen lässt. Das Ziel dieser Dissertation ist eine neue aktive Regionen für die Mid-InfrarotRegion über 10 µm zu analysieren und zu entwickeln. Diese Arbeit konzentriert sich in Kapitel 2 zunächst auf das Verständnis der wichtigsten Prozesse, die in der aktiven Region der langen Wellenlänge des Quantenkaskadenlasers auftreten. In diesem Kapitel werden die typischen Simulationen des aktiven Bereichs und die Simulationen von Intensitäts-Spannungskurven und Verstärkungskurven ausführlich erläutert. Das Kapitel 3 konzentriert sich auf das Design von Quantenkaskadenlasern. Die Hauptpunkte sind das Verständnis des Verstärkungsprozesses in einer aktiven Region sowie die verschiedenen Arten von aktiven Regionen. Schliesslich wird ein halbautomatisches Programm beschrieben, das es ermöglicht, aktive Bereiche zu entwerfen und dessen Nützlichkeit wird dargelegt. Kapitel 4 behandelt den technologischen Prozess des Quantenkaskadenlasers und beinhaltet die Erfahrungen. Kapitel 5 ist das Schlüsselkapitel dieser Arbeit. In diesem Kapitel werden mehrere Laser nach unterschiedlichen Designs entwickelt, die mit Hilfe des im Kapitel 3 beschriebenen Programms erhalten wurden. Diese Designs werden dann sorgfältig analysiert und verglichen, um die grundlegenden Mechanismen besser zu verstehen. Schliesslich werden diese Entwürfe mit dem Stand der Technik verglichen. Die letzten beiden Kapitel konzentrieren sich mehr auf die Verbesserung des einmal gewachsenen Quantenkaskadenlasers. Kapitel 6 zeigt die Widerstandsfähigkeit des Quantenkaskadenlasers beim Glühen und zeigt sogar eine Leistungssteigerung bei bestimmten Glühtemperaturen. Kapitel 7 das Konzept der Wellenlängenabstimmung von Quantenkaskadenlasern durch Hinzufügen eines externen Hohlraums mit einem wellenlängenselektiven Element für die Spektroskopie. / The Quantum Cascade Laser has proven to be the best technology for the mid-infrared due to its unique feature of engineering of its emission wavelength simply by changing its geometry. The goal of this PhD thesis is to analyse and design new active regions for the mid-infrared region above 10 µm. To this effect, this thesis focuses first on the understanding of the key processes occurring in the active region of long wavelength quantum cascade lasers during chapter 2. This chapter explains in details the typical simulations of active region and the simulations of intensity-voltage curves and gain curves. Chapter 3 focuses on the design of quantum cascade lasers. The main points are the understanding of the gain process in an active region as well as the different types of active regions to achieve gain. Finally, a semi-automatic program allowing to design active regions is described and its usefulness demonstrated. The next chapter, chapter 4 is here to treat the technological process of quantum cascade laser and to gather the experiences acquired over the length of this PhD in the laboratory. Chapter 5 is the key chapter in this thesis. In this chapter, several lasers are grown following one of the design obtained thanks to the program described in chapter 3. Those design are then carefully analysed and compared to understand better the mechanisms at plays. Finally, those designs are compared with state of the art designs. The last two chapters are more focus on improving the quantum cascade laser, once grown. Chapter 6 demonstrates the resilience of quantum cascade laser to annealing. Finally, chapter 7 illustrates the concept of wavelength tuning of quantum cascade lasers by adding an external cavity with a wavelength selective element .This chapter focuses on the development of a compact external cavity quantum cascade laser as well as its application for spectroscopy.

Die in dieser Arbeit vorgestellten Studien untersuchen verschiedene Ansätze für die Analyse von spektroskopischen Daten für die Erforschung anderer Himmelskörper. Der Fokus lag hierbei auf der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS, engl. laser-induced breakdown spectroscopy), aber auch Daten der Raman-Spektroskopie wurden analysiert. Das erste extraterrestrisch eingesetzte LIBS Instrument, ChemCam, auf dem Mars Science Laboratory (MSL) der NASA untersucht die Marsoberfläche seit 2012 und weitere Missionen mit LIBS und Raman Instrumenten zum Mars sind geplant. Neben analytischen Ansätzen wurden statistische Methoden, die als multivariate Datenanalysen (MVA) bekannt sind, verwendet und evaluiert. In dieser Arbeit werden insgesamt vier Studien vorgestellt. In der ersten Studie wurde die Normalisierung von LIBS Daten mit Plasmaparametern, also der Plasmatemperatur und der Elektronendichte, untersucht. In der zweiten Studie wurden LIBS Messungen unter Vakuumbedingungen im Hinblick auf den Ionisierungsgrad des Plasmas untersucht. In der dritten Studie wurden MVA Methoden wie die Hauptkomponentenanalyse (PCA) und die partielle Regression kleinster Quadrate (PLS-R) zur Identifizierung und Quantifizierung von Halogenen mittels molekularer Emissionen angewandt. Die Ergebnisse sind vielversprechend, da es möglich war z.B. Chlor in einem ausgewählten Konzentrationsbereich zu quantifizieren. In der letzten Studie wurden LIBS-Daten mit komplementären Raman-Daten von Mars relevanten Salzen in einem low-level Datenfusionsansatz kombiniert. Es wurden MVA Methoden angewandt und auch Konzepte der high-level Datenfusion implementiert. Mit der low-level LIBS und Raman Datenfusion konnten im Vergleich zu den einzelnen Techniken mehr Salze richtig identifiziert werden. Der Gewinn durch die low-level Datenfusion ist jedoch vergleichsweise gering und für konkrete Missionen müssen individuelle und angepasste Strategien für die gemeinsame Analyse von LIBS und Raman-Daten gefunden werden. / The studies presented in this thesis investigate different data analysis approaches for mainly laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) and also Raman data in the context of planetary in-situ exploration. Most studies were motivated by Mars exploration due to the first extraterrestrially employed LIBS instrument ChemCam on NASA's Mars Science Laboratory (MSL) and further planned LIBS and Raman instruments on upcoming missions to Mars. Next to analytical approaches, statistical methods known as multivariate data analysis (MVA) were applied and evaluated. In this thesis, four studies are presented in which LIBS and Raman data analysis strategies are evaluated. In the first study, LIBS data normalization with plasma parameters, namely the plasma temperature and the electron density, was studied. In the second study, LIBS measurements in vacuum conditions were investigated with a focus on the degree of ionization of the LIBS plasma. In the third study, the capability of MVA methods such as principal component analysis (PCA) and partial least squares regression (PLS-R) for the identification and quantification of halogens by means of molecular emissions was tested. The outcomes are promising, as it was possible to distinguish apatites and to quantify chlorine in a particular concentration range. In the fourth and last study, LIBS data was combined with complementary Raman data in a low-level data fusion approach using MVA methods. Also, concepts of high-level data fusion were implemented. Low-level LIBS and Raman data fusion can improve identification capabilities in comparison to the single datasets. However, the improvement is comparatively small regarding the higher amount of information in the low-level fused data and dedicated strategies for the joint analysis of LIBS and Raman data have to be found for particular scientific objectives.

Metallhalogenid-Perowskite (MHPs) sind Halbleiter, die einzigartige photophysikalische Eigenschaften aufweisen, die sie ideal für photovoltaische Anwendungen machen. Techniken werden kontinuierlich entwickelt, um die Leistungsgrenzen der Perowskite weiter zu verschieben. Dennoch weisen diese Materialien verschiedene Herausforderungen auf. Zu diesen gehören eine geringe Stabilität unter einer Vielzahl von äußeren Bedingungen, sowie eine große Diskrepanz zwischen den Wirkungsgraden von Geräten im Labormaßstab und großflächigen Geräten. Zunächst wurden mit Hilfe von Photolumineszenz-Spektroskopie Ladungsübertragungsmechanismen zwischen MHPs und atmosphärischen Gasen untersucht, um deren Einfluss auf die Materialstabilität zu bestimmen. Durch den Vergleich der Emission von verschiedene MHP wurde die Wirkung untersucht, die atmosphärische Gase auf Grenzdefekte im Material haben. Diese Löschungseffekte wurden nachfolgend mit dem Stern-Volmer-Modell analysiert. Es stellte sich heraus, dass ein Teil von der Gase bindet jedoch an die MHPs, wobei teilweise Kristalldefekte passiviert werden und für jedes der Gase Ladungstransfermechanismen vorgeschlagen wurden. Zweitens wurde die Skalierung von MHP-Bauelementen mittels Tintenstrahldruck untersucht. Dazu wurden drei Kristallisationstechniken ausgewertet. Eine davon verwendete eine sequenzielle Abscheidung von zwei Präkursortinten, während die beiden anderen kristallisierte Tinten verwendeten, die in einem Schritt abgeschieden wurden. Die letztgenannten Techniken verwendeten beide niedrige Drücke und bei einer wurde ein kontrollierter Stickstoffstrom auf die Probe angewendet. Solarzellen mit einer Effizienz von 16,8% auf einer Fläche von 0,16 cm² wurden demonstriert. Diese Ergebnisse zeigen ein neuartiges Verfahren zur Untersuchung von strahlungslosen Verlustwegen in MHPs auf. Zusätzlich demonstrieren diese Studien, dass der Tintenstrahldruck eine geeignete Technologie ist, um MHP-Bauelemente zu skalieren. / Metal halide perovskites (MHPs) are semiconductor materials that show unique photophysical properties, making them ideal for photovoltaic applications. Having shown power conversion efficiencies of up to 25.5%, techniques are continuously being developed to push perovskites to unprecedent limits. Yet, these materials present challenges like a low stability under a variety of conditions as well as a large disparity between the efficiencies of lab scale and large area devices. This thesis addresses these two major obstacles. First, charge transfer mechanisms between MHPs and atmospheric gases were studied to determine their effect on the material stability by using photoluminescence spectroscopy. By comparing the emission of MHPs, the effect that molecular oxygen, nitrogen, argon, and water have on boundary defects in the material was studied. These quenching effects were later analyzed using the Stern-Volmer model. It was found that the gases bounce off the surface, but a portion of them bind to the MHPs, in occasions passivating defects on the crystals. Using these results, charge transfer mechanisms were proposed for each one of the gases. Second, scaling of MHP devices was examined using inkjet printing. For this, three crystallization techniques were evaluated. One of them used sequential deposition of two precursor inks, while the other two crystallized ink that was deposited in one step. Both latter techniques used low pressures, below 1 mbar, and only one of them applied a controlled stream of nitrogen to the sample. Using these techniques, the deposition of a 15x15 cm² area as well as a device with an efficiency of 16.8% on an area of 0.16 cm² were demonstrated. These results show a novel procedure to study non-radiative loss paths in MHPs to enhance their stability and performance as devices. Also, they show that inkjet printing is a favorable technology to scale MHP devices and eventually facilitate the mass production of this type of photovoltaic devices.

Seit der industriellen Revolution haben Menschen durch Verbrennung von fossilen Energieträgern die Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre erhöht. Die daraus folgende Erderwärmung hat weitreichende Folgen für das Klima, unter anderem häufigere und intensivere Wetterextreme. Wegen ihrer gravierenden Auswirkungen auf die Gesellschaft, ist es von allgemeinem Interesse zu verstehen, wie der menschengemachte Klimawandel diese Wetterextreme beeinflusst. In dieser kumulativen Dissertation analysiere ich erst zwei komplexe Wettereignisse, die die Nahrungsmittelproduktion in Europa beeinträchtigen: Frosttage nach dem Beginn der Apfelblüte und Feuchte Frühsommerperioden nach warmen Wintern. In einer dritten Studie untersuche ich wie dynamische Klimaveränderungen in den mittleren Breiten der Nordhalbkugel zu beständigerem Sommerwetter beitragen. Schließlich beschäftige ich mich mit tropischen Stürmen im Nordatlantik und damit, wie sie von der globalen Erwärmung beeinflusst werden. Eine zentrale methodische Herausforderung in diesem Forschungsfeld ist, dass Wetterextreme per Definition selten sind und dass es aufgrund der starken internen Klimavariabilität schwierig ist, die Veränderungen zu quantifizieren, die auf den menschgemachten Klimawandel zurück zu führen sind. In dieser Arbeit verfolge ich zweigegenläufige Ansätze um mit dieser Herausforderung um zu gehen: 1) Ich verwende große Klimasimulationsensembles um den Effekt der internen Klimavariabilität aus zu glätten und dadurch die erzwungenen Veränderungen beim Apfelfrost und in der Persistenz zu ergründen. 2) Mit Methoden, die auf Beobachtungsdaten beruhen, quantifiziere ich den Einfluss der internen Klimavariabilität auf tropische Zyklone um dann einschätzen zu können, in welchem Maß der beobachtete Anstieg der tropischen Zyklonaktivität im Atlantik der internen Klimavariabilität oder erzwungenen Veränderungen zugeschrieben werden kann. / Since the industrial revolution, humans have increased the greenhouse gas concentration of the atmosphere by burning fossil fuels. The resulting global warming has far reaching impacts on the climate system including increasingly frequent and intense weather extremes. Due to the severe impacts these weather extremes cause to societies, there is a strong interest in understanding how anthropogenic climate change affects weather extremes. In this cumulative thesis I first study two compound weather extremes that affect food production in Europe: frost days after apple blossom and wet early summers after warm winters. In a third study I quantify how dynamic changes in the climate system contribute to more persistent summer weather extremes in the northern hemispheric mid-latitudes. Finally, I analyze tropical cyclones in the Atlantic basin and changes in tropical cyclone activity as a result of global warming. One central methodological challenge in the research field is that weather extremes are rare by definition and that due to the strong internal climate variability it is difficult to quantify changes that are forced by anthropogenic climate change. In this thesis I explore two divergent approaches to this challenge: 1) Using large ensemble climate simulations I smooth out the effect of internal variability thereby exposing the forced change in apple frost and weather persistence. 2) Using observation based approaches, I quantify the contributions of internal climate variability on tropical cyclones in order to subsequently estimate to which extent the observed increase in tropical cyclone activity in the Atlantic can be attributed to internal climate variability or forced changes.

In den letzten Jahren dominierten elektronikbasierte künstliche neuronale Netzwerke (KNN) die Computertechnik. Mit zunehmender Komplexität der Aufgaben stoßen konventionelle elektronische Architekturen jedoch an ihre Grenzen. Optische Ansätze bieten daher Lösungen durch analoge Berechnungen unter Verwendung von Materialien, die optische Signale zur synaptischen Plastizität steuern. Diese Studie untersucht daher die synaptischen Funktionen von photo- und elektrochrome Materialien für KNN. Das Modulationsverhalten des Moleküls Diarylethen (DAE) auf Oberflächenplasmonen wird in der Kretschmann-Konfiguration untersucht. Optische Impulsfolgen ermöglichen synaptische Plastizität wie Langzeitpotenzierung und -depression. DAE-Modulation und Informationsübertragung bei unterschiedlichen Wellenlängen ermöglichen simultane Lese- und Schreibvorgänge und demonstrieren die nichtflüchtige Informationsspeicherung in plasmonischen Wellenleitern. Die Integration von DAE in einem Y-Wellenleiter bildet somit ein vollständig optisches neuronales 2x1-Netzwerk. Synaptische Funktionen, die sich in DAE-Schaltvorgängen widerspiegeln, können somit in der Wellenleiterübertragung angewendet werden. Das Netzwerktraining für Logikgatter wird durch Gradientenverfahren erreicht, um UND- oder ODER-Funktionen auszuführen. Elektrochrome Materialien in Wellenleitern ermöglichen optoelektronische Modulation. Die Kombination von gelartigem Polymer-Elektrolyt PS-PMMA-PS:[EMIM][TFSI] mit PEDOT:PSS ermöglicht eine elektrisch-gesteuerte Absorptionsmodulation. Eine binäre komplementäre Steuerung von Übertragungen und somit auch optisches Multiplexing in Y-Wellenleitern können dadurch demonstriert werden. Der feste Polymer-Elektrolyt PEG:NaOtf ermöglicht eine optische Signalmodulation für neuromorphes Computing. Mithilfe von analog gesteuertes Gradientenverfahren kann daher in einem Y-Wellenleiter lineare Klassifikation, ohne die Verwendung von zusätzlichen Speicher- oder Prozesseinheiten, antrainiert werden. / In recent years, electronic-based artificial neural networks (ANNs) have been dominant in computer engineering. However, as tasks grow complex, conventional electronic architectures reach their limits. Optical approaches therefore offer solutions through analog calculations using materials controlling optical signals for synaptic plasticity. This study explores photo- and electrochromic materials for synaptic functions in ANNs. The switching behavior of the molecule diarylethene (DAE) affecting Surface Plasmon Polaritons (SPPs) is studied in the Kretschmann configuration. Optical pulse sequences enable synaptic plasticity like long-term potentiation and depression. DAE modulation and information transfer at distinct wavelengths allow simultaneous read and write processes, demonstrating non-volatile information storage in plasmonic waveguides. DAE integration into Y-branch waveguides forms full-optical neural 2x1 networks. Synaptic functions, reflected in DAE switching, can be thus applied in waveguide transmission. Network training for logic gates is achieved using gradient descent method to adapt AND or OR gate functions based on the learning set. Electrochromic materials in waveguides enable optoelectronic modulation. Combining gel-like polymer electrolyte PS-PMMA-PS:[EMIM][TFSI] with PEDOT:PSS allows electrical modulation, demonstrating binary complementary control of transmissions and optical multiplexing in Y-branch waveguides. The solid polymer electrolyte PEG:NaOtf enables optical signal modulation for neuromorphic computing, thereby facilitating the adaptation of linear classification in Y-branch waveguides without the need for additional storage or processing units.

Systeme mit Zeitverzögerung sind von großem Interesse in Nichtlinearer Dynamik und allgegenwärtig in den Naturwissenschaften. Gegenstand dieser Doktorarbeit ist die raumzeitliche Dynamik räumlich-ausgedehnter, nichtlinearer Systeme mit Zeitverzögerung, mit besonderem Augenmerk auf deren lokalisierte Lösungen. Die betrachteten Systeme werden beschrieben durch partielle Differentialgleichungen und gekoppelte Systeme von gewöhnlichen Differentialgleichungen mit verzögerter Rückkopplung. Hinsichtlich der partiellen Differentialgleichungen untersucht diese Arbeit die Existenz und Stabilität der ebenen Wellenlösungen ebenso, wie die Existenz und Stabilität der lokalisierten Lösungen der eindimensionalen, komplexen, kubischen und kubisch-quintischen Ginzburg-Landau Gleichung mit verzögerter, optischer Rückkopplung. Das erste Ergebnis dieser Arbeit ist die vollständige Beschreibung der Menge der ebenen Wellenlösungen und ihre Stabilität für lange Verzögerungszeiten. Aufgrund der Symmetrie der Ginzburg-Landau Gleichung bildet diese Menge eine eindimensionale Familie, die zum Auftreten einer „Tube“ in Parameter-Koordinaten führt. Das zweite, neuartige Ergebnis ist die Beschreibung der Modulationsinstabilität dieser lokalisierten Strukturen. Diese Instabilität kann zu einer periodischen und chaotischen Zickzackbewegung der Lösung führen. Das dritte Resultat ist die Charakterisierung gebundener Impulsfolgen in einem System von gekoppelten gewöhnlichen Differentialgleichungen mit Zeitverzögerung, das zur Beschreibung einer Anordnung von modengekoppelten Lasers herangezogen wird. In diesem Regime interagieren die modengekoppelten Impulse in verschiedenen Lasern lokal über die Balance von Abstoßung und Anziehung. Resultierend daraus entstehen Cluster von Impulsen, die in einzelnen modengekoppelten Lasern nicht möglich sind. Sämtliche genannte Phänomene wurden analytisch und numerisch behandelt. / Systems with time-delay are ubiquitous in nature and attract significant interest in the field of nonlinear dynamics. The scope of this Thesis is the spatiotemporal dynamics in spatially extended nonlinear systems with time-delay, with a focus on the dynamics of localized structures. The systems under consideration are described by partial differential equations with delayed feedback and coupled systems of delay differential equations. For the partial differential equations, the existence and stability of plane wave solutions as well as localized structures are investigated in one-dimensional complex cubic and cubic-quintic Ginzburg-Landau equation with delayed feedback. The first result of this Thesis is the complete description of the set of plane wave solutions and their stability in the limit of large delay time. Due to the symmetry of Ginzburg-Landau equation, this set forms a one-dimensional family which leads to the appearance of the “tube” in parameter coordinates which is filled densely with plane wave solutions with the increase of the delay time. The second novel result is the description of modulational instability of localized structures in spatially extended systems with time-delay which can lead to periodic and chaotic zigzagging movement of the solution. The third result is the description of bound pulse trains in coupled delay systems depicting an array of mode-locked lasers. In this regime mode-locked pulses in different lasers interact locally via the balance of their repulsion and attraction. As a result, clusters of pulses emerge which can not exist in a solitary mode-locked laser. All of the aforementioned phenomena were described analytically and the results are supported by path continuation methods as well as direct numerical simulations with a specially designed software tool.