Les phases alpha'-Fe8N1-x et alpha''-Fe16N2 ont un fort potentiel d’application, en raison de leur anisotropie magnétocristalline uniaxiale et de leur grande aimantation à saturation. Cependant, les valeurs annoncées pour ces propriétés magnétiques restent sujettes à discussion. Les recherches menées au cours de cette thèse de doctorat ont été initiées dans le but de clarifier cette situation. L’élaboration des échantillons a principalement consisté en l’implantation ionique d’azote dans des couches minces de fer alpha épitaxiées sur ZnSe/GaAs (001). Entre autres, les effets de la température de la cible et de la fluence sur la structure cristalline des échantillons ont été analysés par diffractométrie des rayons X. La présence d’une anisotropie magnétique perpendiculaire a été mise en évidence dans les couches minces contenant les phases alpha'-Fe8N1-x ou alpha''-Fe16N2. La constante d’anisotropie a été évaluée par magnétométrie à échantillon vibrant et résonance ferromagnétique. À l’occasion de ces recherches, des domaines en rubans faibles ont été observés par microscopie à force magnétique dans certaines couches minces en Fe-N. Ceux-ci sont particulièrement rectilignes et des dislocations coin se trouvent au sein de leur structure périodique. Des études ont alors été réalisées dans le but de contrôler avec précision la réorientation des domaines en rubans et le déplacement des dislocations magnétiques, à l’aide d’un champ magnétique. / The alpha'-Fe8N1-x and alpha''-Fe16N2 phases have a high potential of application, because of their uniaxial magnetocrystalline anisotropy and their large saturation magnetization. However, the values announced for these magnetic properties remain a subject of discussion. The research conducted during this PhD thesis was initiated in order to clarify this situation. Sample making consisted mainly of nitrogen ion implantation into alpha-Fe thin films, epitaxially grown on ZnSe/GaAs (001). Among others, the effects of target temperature and fluence on the crystal structure of the samples were analyzed by X-ray diffractometry. The presence of a perpendicular magnetic anisotropy was demonstrated in the thin films containing the alpha'-Fe8N1-x and alpha''-Fe16N2 phases. The anisotropy constant was evaluated by vibrating sample magnetometry and ferromagnetic resonance. In this research, weak stripe domains were observed by magnetic force microscopy in some Fe-N thin films. These are particularly straight and edge dislocations are found within their periodic structure. Studies were then carried out to precisely control the reorientation of the stripe domains and the displacement of the magnetic dislocations, using a magnetic field.

Better understanding of pyroclastic density current (PDC) dynamics is one of the key volcanological focuses, as PDCs represent one of the most life-threatening volcanic hazards. PDCs associated with explosive collapse calderas are difficult to observe and examine directly, and thus research of internal architecture of calderas and their PDC deposits is focused on extinct and partly eroded volcano-plutonic systems. Such a case is the Late-Carboniferous Altenberg-Teplice caldera in NW Bohemian Massif, which exposes a large body of ignimbrites (deposits of the PDC) called Teplice rhyolite (an intra-caldera fill). This body is well exposed on the southern flank of the Krušné hory/Erzgebirge Mts., mainly its members: Teichweg, Lugstein-Pramenáč, Vlčí kámen-Medvědí vrch and Přední Cínovec. As these ignimbrites appear macroscopically isotropic, I employed the Anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) in order to quantify their internal structure. A total of 1232 specimens from 63 sampling stations were analyzed for the AMS, complemented by susceptibility vs. temperature variations and petrographic observations. Obtained AMS data, carried by a mixture of paramagnetic ferrosilicates and low-Ti titanomagnetite, indicate various processes recorded in ignimbrites. The relatively oldest and moderately welded Teichweg...

In this work, electronic excitations in organic semiconductors were investigated with electron energy-loss spectroscopy and optical absorption spectroscopy. Excitons are bound electron-hole pairs, which mostly determine the photophysical properties of the material. Excitons in organic semiconductors can interact with each other with two different mechanisms: Coulomb and charge-transfer coupling and a respective mix of both. Depending on which is dominating, different optical properties and a change of the exciton’s energy as a function of momentum are the consequences. This is called the exciton dispersion E(k) and can be measured by electron energy-loss spectroscopy. The obtained data were analysed with the assistance of calculations of the point dipole model, which is based on Coulomb coupling only. Four different materials were chosen, which all revealed new, unexpected insights into the field of exciton dynamics in organic crystals. The main focus of this work are molecular crystals, of which two were grown with physical vapor transport within this work. Dibenzopentacene, a pentacene derivative, was grown and characterized as a single crystal for the first time. A strong structural and optical anisotropy was revealed, which indicates, that the determination of the optical properties arises not only from the intermixing of the excitons with themselves, but also with vibrational modes. The exciton dispersion showed a smaller exciton bandwidth, than in the close relative pentacene, which suggests weaker exciton interaction parameters. As a further material, para-quaterphenyl single crystals were grown. According to the measurements a strong polarization dependence can be seen, which is underlined by calculations. Momentum dependent measurements displayed a strong dispersion of the first excitation, which could not be explained by the interaction of a molecule with the nearest neighbours, instead the next-nearest neighbours must be included to describe the dispersion appropriately. Single crystals of perylene were provided by Xianjie Liu’s group from the Linköping University. They also showed a strong anisotropy in polarization dependent optical absorption measurements. As the point dipole calculations result in a wrong polarization dependence of the first two excitations, it can be assumed that an additional contribution in the form of charge-transfer coupling between the molecules, which can flip this polarization dependence, is necessary to model the spectra properly. Contrary to the optical absorption data, the exciton dispersion is behaving similar as Coulomb coupled systems, which is confirmed by point dipole calculations. This work is completed with a momentum and temperature dependent series of pentacene thin films. It was shown that thin film spectra can represent single crystal spectra at small momenta. The according study revealed a strong temperature dependence of the exciton dispersion.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La raffinerie Ultramar de Saint Romuald sur la rive sud de Québec produit des carburants qui sont acheminés par l'Ultratrain du Canadien National vers la métropole montréalaise. Trois années après la mise en service de ces trains de 1200 m de longueur pour 8000 tonnes, l'un d'eux déraille en 1999 dans une zone marécageuse où le sol naturel sous le remblai est un massif de tourbe. Les tourbes sont des sols organiques très compressibles saturés en eau et qui contiennent des fibres végétales. En 2004, au même endroit, un second déraillement a lieu. Le Bureau de la Sécurité des Transports (BST) et le Canadien National (CN) mandatent alors le département de génie civil de l'Université Laval pour étudier les conditions géotechniques de ces déraillements. Ainsi, de juin à novembre 2006, une campagne de mesures sur le site est mise en place pour collecter des données sur les pressions interstitielles et les tassements qui surviennent dans la tourbe pendant le passage des trains. Des tassements cumulatifs d'environ 1 cm en 3 mois sont mesurés. Ils sont causés par la dissipation des surpressions interstitielles que les trains bâtissent pendant leurs passages répétés. Ces résultats ont été présentés au BST et au CN en décembre 2006. Une première hypothèse possible de rupture locale, progressive et soudaine du massif de tourbe par poinçonnement lors du passage d'un train est alors formulée. Début 2007, des essais de résistance au cisaillement sur la tourbe prélevée sur le terrain sont réalisés dans les laboratoires de l'Université Laval. Ce sol est caractérisé par un comportement en cisaillement fortement dépendant de l'orientation du plan de rupture par rapport au plan d'alignement des fibres végétales contenues dans la tourbe. Les fibres sont naturellement orientées dans des plans horizontaux, rendant la tourbe fortement anisotrope. Si le plan de rupture est confondu avec le plan d'alignement des fibres, alors la résistance au cisaillement est minimum et correspond à celle de la matrice de la tourbe sans l'influence des fibres. A l'inverse, si le plan de rupture coupe les fibres, alors la résistance est augmentée. La quantification de cette augmentation est l'objectif de la campagne d'essais en laboratoire. Des études précédentes ont montré que lorsque les tourbes sont sollicitées dans des plans coupant les fibres, celles-ci ont tendance à s'aligner dans le plan de rupture et ainsi à diminuer progressivement la résistance au cisaillement le long de ce plan. Ainsi, en utilisant les résultats obtenus en laboratoire et les données de terrain, un mécanisme de rupture utilisé pour analyser et expliquer le déraillement de l'Ultratrin a été développé. Les calculs montrent que la diminution de résistance engendrée par l'alignement des fibres le long des plans de rupture dans la tourbe est suffisante pour provoquer le poinçonnement soudain de la tourbe sous le passage d'un train. Finalement, cette recherche montre que la capacité portante du massif de tourbe est régie par Panisotropie de la tourbe due à la présence des fibres végétales. / The Saint Romuald's Ultramar refinery near Québec City produces gas which is transported to Montréal by the Canadian National's Ultratrain. Three years after the first passage of these huge trains, a derailment occurs in 1999 in a naturally formed swamp zone, where the subsoil consists of peat. Peats are organic, very compressible and water saturated soils. They are also characterised by fibres content. A second accident takes place nearby in 2004. The Civil Engineering department of Laval University is then asked by the Transportation Safety Board of Canada (TSB) and by the Canadian National (CN) to investigate the geotechnical conditions of those derailments. In situ pore pressures and settlements of the peat under the rail embankment are monitored from June to November 2006. An accumulation of settlement of 1cm in 3 months in the peat is measured. They are the result of the overburden pressures dissipation created by the successive passages of the Ultratrain. The report of mis study has been presented to TSB and CN in December 2006. A first assumption of a local, progressive and unexpected failure of the peaty soil by punching is suggested. Triaxial and simple shear tests are performed in the Laval University's laboratories on samples of the in situ native peat on the beginning of year 2007. The shear behaviour of the peat turns out to be related to the relative orientation of the failure plane compared to the plane of deposit of the plant's fibres in the soil. Those fibres are generally oriented in a horizontal plane. This makes of the peat a strongly anisotropic soil. If the failure plane is parallel to the fibres plane, the shear strength corresponds to the strength of the matrix of the peat without the fibres reinforcing effect. This shear strength is minimal. If the failure plan cuts the fibres, the reinforcing effect of the fibres increases the shear strength. The objective of the laboratory tests is to evaluate this increase. Previous studies on peat showed that fibres trend to come into alignment with a failure plane, which decreases strongly the shear strength through this plane. The results of these tests and of the in situ investigations are used to develop a failure mechanism of the peat under the embankment. This mechanism explains the 2004 derailment. Calculations show that the shear strength's decrease caused by the fibres realignment is sufficient to produce the sudden failure of the peat by punching. Eventually, this study shows that the bearing capacity of the peat under the rail embankment is ruled by the anisotropic structure of the peat given by the fibres.

In the thesis CuPc thin films were investigated by (in situ) SE and RAS, which are employed to determine the out-of-plane and in-plane optical anisotropy and molecular orientation, respectively. CuPc is a promising candidate of organic semiconductors used in organic field effect transistors, organic light emitting diodes and organic solar cells. Vicinal Si(111) substrates are interesting due to the in-plane anisotropy caused by the steps and terraces on the surface. The strength of in-plane anisotropy of vicinal Si(111) is dependent on the offcut angle. The influence of offcut angle on out-of-plane and in-plane molecular orientation in CuPc thin films is explored. The in situ investigation of CuPc films suggests that structural changes occur during film growth. In addition, two different surface modification layers were utilized to examine the effect on CuPc molecular orientation: OTS monolayer with upright standing molecules and PTCDA layers with flat lying molecules. Metal-organic interface plays an important role in organic electronic devices. In-CuPc is chosen to be an example system investigated employing in situ SE and RAS. When In was thermally evaporated onto CuPc film, In atoms firstly diffuse into the CuPc film underneath and then aggregate to form clusters on top. Hafnium dioxide (HfO2) is currently a hot topic to replace the conventionally used SiO2 as gate dielectrics in order to minimize leakage current when further scaling down microelectronic devices. Since HfO2 films are often crystalline, in order to obtain amorphous films which are beneficial to minimize leakage current, aluminum oxide (Al2O3) (k value: 9) which stays amorphous at much higher temperatures are combined to overcome this difficulty. Two series of ultra-thin samples were deposited by atomic layer deposition: mixed layers HfxAl1-xOz and bilayers HfO2 on Al2O3. Optical constants and bandgap are determined using SE in the energy range of 0.7-10 eV. It is found that the (effective) optical bandgap of both mixed layer and bilayer structures can be tuned by the film composition. Aging effect of high-k films was observed after storage of samples in air for two months, which is attributed to further oxidation of the dielectric films caused by the oxygen diffusion from ambient air to high-k films. / In dieser Arbeit werden dünne Schichten aus Kupferphthalozyanin (CuPc) mittels spektroskopischer (in-situ) Ellipsometrie (SE) und (in-situ) Reflektions-Anisotropie-Spektroskopie (RAS) untersucht, um die optische Anisotropie in einer Ebene parallel und senkrecht zur Schichtoberfläche und die molekulare Orientierung zu bestimmen. CuPc ist ein aussichtsreicher Kandidat als organischer Halbleiter in organischen Feldeffekt-Transistoren, organischen Leuchtdioden und organischen Solarzellen. Vizinale Si(111)-Substrate sind wegen der Anisotropie in der Substratebene interessant, die durch die Treppen und Terrassen auf der Oberfläche verursacht wird. Die Stärke der Anisotropie der vizinalen Si(111)-Oberfläche ist vom Schnittwinkel (Offcut) abhängig. Es wird der Einfluss des Offcut-Winkels auf die molekulare Orientierung in dünnen CuPc-Schichten parallel und senkrecht zur Substratoberfläche untersucht. Die in-situ Untersuchungen von CuPc-Schichten weisen darauf hin, dass strukturelle Veränderungen beim Wachstum auftreten. Darüber hinaus wurden zwei unterschiedliche Oberflächenmodifizierungsschichten, um deren Wirkung auf die molekulare Orientierung von CuPc zu untersuchen, verwendet: eine OTS-Monoschicht mit aufrecht stehenden Molekülen und PTCDA-Schichten mit flach liegenden Molekülen. Metall-organische Grenzflächen spielen eine wichtige Rolle in organischen elektronischen Bauelementen. In-CuPc wird als Beispiel für ein Metall-organisches System durch in-situ SE und RAS untersucht. Wenn In thermisch auf eine CuPc-Schicht aufgedampft wird, diffundieren In-Atome zunächst in die darunterliegende CuPc-Schicht und bilden dann Cluster auf der Schicht. Hafniumdioxid (HfO2) ist ein heißer Kandidat für das Ersetzen des herkömmlich als Gate-Dielektrikum verwendeten SiO2 mit dem Ziel, die Leckströme bei der weiteren Verkleinerung mikroelektronischer Bauelemente zu minimieren. Um amorphe Schichten, die vorteilhaft zur Minimierung der Leckströme sind, zu erhalten, werden die HfO2-Schichten, die oft kristallin sind, mit Aluminiumoxid (Al2O3) (k-Wert: 9) kombiniert, das bei wesentlich höheren Temperaturen amorph bleibt. Zwei Serien von ultra-dünnen Proben wurden durch Atomlagenabscheidung hergestellt: Mischschichten HfxAl1-xOz und Doppelschichten HfO2 auf Al2O3. Die optischen Konstanten und Bandlücken wurden mittels SE im Energiebereich von 0,7 bis 10 eV bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass die (effektive) Bandlücke der Misch- und Doppelschichten durch die Komposition abgestimmt werden kann. Nach Lagerung der High-k-Schichten für zwei Monate an Luft konnte ein Alterungseffekt beobachtet werden. Dieser wird auf die weitere Oxidation der dielektrischen Schichten, die durch Sauerstoffdiffusion aus der Umgebungsluft in die High-k-Schichten ermöglicht wird, zurückgeführt.

A numerical treatment of non-linear higher-order geometric evolution equations with the level set and the finite element method is presented. The isotropic, weak anisotropic and strong anisotropic situation is discussed. Most of the equations considered in this work arise from the field of thin film growth. A short introduction to the subject is given. Four different models are discussed: mean curvature flow, surface diffusion, a kinetic model, which combines the effects of mean curvature flow and surface diffusion and includes a further kinetic component, and an adatom model, which incorporates in addition free adatoms. As an introduction to the numerical schemes, first the isotropic and weak anisotropic situation is considered. Then strong anisotropies (non-convex anisotropies) are used to simulate the phenomena of faceting and coarsening. The experimentally observed effect of corner and edge roundings is reached in the simulation through the regularization of the strong anisotropy with a higher-order curvature term. The curvature regularization leads to an increase by two in the order of the equations, which results in highly non-linear equations of up to 6th order. For the numerical solution, the equations are transformed into systems of second order equations, which are solved with a Schur complement approach. The adatom model constitutes a diffusion equation on a moving surface. An operator splitting approach is used for the numerical solution. In difference to other works, which restrict to the isotropic situation, also the anisotropic situation is discussed and solved numerically. Furthermore, a treatment of geometric evolution equations on implicitly given curved surfaces with the level set method is given. In particular, the numerical solution of surface diffusion on curved surfaces is presented. The equations are discretized in space by standard linear finite elements. For the time discretization a semi-implicit discretization scheme is employed. The derivation of the numerical schemes is presented in detail, and numerous computational results are given for the 2D and 3D situation. To keep computational costs low, the finite element grid is adaptively refined near the moving curves and surfaces resp. A redistancing algorithm based on a local Hopf-Lax formula is used. The algorithm has been extended by the authors to the 3D case. A detailed description of the algorithm in 3D is presented in this work. / In der Arbeit geht es um die numerische Behandlung nicht-linearer geometrischer Evolutionsgleichungen höherer Ordnung mit Levelset- und Finite-Elemente-Verfahren. Der isotrope, schwach anisotrope und stark anisotrope Fall wird diskutiert. Die meisten in dieser Arbeit betrachteten Gleichungen entstammen dem Gebiet des Dünnschicht-Wachstums. Eine kurze Einführung in dieses Gebiet wird gegeben. Es werden vier verschiedene Modelle diskutiert: mittlerer Krümmungsfluss, Oberflächendiffusion, ein kinetisches Modell, welches die Effekte des mittleren Krümmungsflusses und der Oberflächendiffusion kombiniert und zusätzlich eine kinetische Komponente beinhaltet, und ein Adatom-Modell, welches außerdem freie Adatome berücksichtigt. Als Einführung in die numerischen Schemata, wird zuerst der isotrope und schwach anisotrope Fall betrachtet. Anschließend werden starke Anisotropien (nicht-konvexe Anisotropien) benutzt, um Facettierungs- und Vergröberungsphänomene zu simulieren. Der in Experimenten beobachtete Effekt der Ecken- und Kanten-Abrundung wird in der Simulation durch die Regularisierung der starken Anisotropie durch einen Krümmungsterm höherer Ordnung erreicht. Die Krümmungsregularisierung führt zu einer Erhöhung der Ordnung der Gleichung um zwei, was hochgradig nicht-lineare Gleichungen von bis zu sechster Ordnung ergibt. Für die numerische Lösung werden die Gleichungen auf Systeme zweiter Ordnungsgleichungen transformiert, welche mit einem Schurkomplement-Ansatz gelöst werden. Das Adatom-Modell bildet eine Diffusionsgleichung auf einer bewegten Fläche. Zur numerischen Lösung wird ein Operatorsplitting-Ansatz verwendet. Im Unterschied zu anderen Arbeiten, die sich auf den isotropen Fall beschränken, wird auch der anisotrope Fall diskutiert und numerisch gelöst. Außerdem werden geometrische Evolutionsgleichungen auf implizit gegebenen gekrümmten Flächen mit Levelset-Verfahren behandelt. Insbesondere wird die numerische Lösung von Oberflächendiffusion auf gekrümmten Flächen dargestellt. Die Gleichungen werden im Ort mit linearen Standard-Finiten-Elementen diskretisiert. Als Zeitdiskretisierung wird ein semi-implizites Diskretisierungsschema verwendet. Die Herleitung der numerischen Schemata wird detailliert dargestellt, und zahlreiche numerische Ergebnisse für den 2D und 3D Fall sind gegeben. Um den Rechenaufwand gering zu halten, wird das Finite-Elemente-Gitter adaptiv an den bewegten Kurven bzw. den bewegten Flächen verfeinert. Es wird ein Redistancing-Algorithmus basierend auf einer lokalen Hopf-Lax Formel benutzt. Der Algorithmus wurde von den Autoren auf den 3D Fall erweitert. In dieser Arbeit wird der Algorithmus für den 3D Fall detailliert beschrieben.

In the present study the results of investigations on polycrystalline MgB2 and on single crystals of YNi2B2C and HoNi2B2C are presented. In particular, measurementes of specific electrical resistance, thermal conductivity, thermoelectric power, and of the linear thermal expansion coefficient were performed. Moreover, the specific heat of polycristalline borocarbide samples was evaluated. From the measured data, the temperature dependencies of the Lorenz number and of the Grueneisen parameter can be determined, also the pressure dependence of the superconducting transition temperature using the Ehrenfest relation. At low temperatures a characteristic deviation of the resistivity from the Bloch-Grueneisen law in the normal state for all investigated substances was observed. A reentrant behaviour in resistivity and thermoelectric power occurs at the antiferromagnetic phase transition of HoNi2B2C. The thermal conductivity of MgB2 below 7 K is dominated by the scattering of phonons at grain boundaries. The absence of both, a maximum of thermal conductivity in the superconducting state, and the change of its slope at the superconducting transition temperature points to the validity of the two-band model that also describes the temperature dependence of specific heat. Measurements of thermoelectric power confirm the different normal-state character of the charge carriers of the investigated superconductors. Diffusion thermopower and phonon drag describe the measured data of all investigated compounds ov a wide range of temperature. The thermal expansion of HoNi2B2C below 10 K is dominated by the magnetic contribution. For all investigated substances the Grueneisen parameter features very large values in selected temperature ranges. In the case of MgB2, its temperature dependence is evidently connected with the properties of the relevant phonon mode. For the borocarbides, the electrical resistance depends very weakly on the crystallographic direction, but in contrast the thermal conductivity does in a quite strong manner. Despite of the antiferromagnetic phase transition in the case of HoNi2B2C, thermoelectric power and thermal expansion show minor anisotropy. / In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse von Untersuchungen an polykristallinem MgB2 sowie an YNi2B2C- und HoNi2B2C-Einkristallen analysiert. Dafür erfolgten Messungen des spezifischen elektrischen Widerstands, der Wärmeleitfähigkeit, der Thermokraft und des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Zudem wurde die spezifische Wärmekapazität polykristalliner Borkarbide bestimmt und aus den erhaltenen Daten die Temperaturabhängigkeit der Lorenz-Zahl und des Grüneisen-Parameters sowie mittels der Ehrenfest-Relation die Druckabhängigkeit der Sprungtemperatur ermittelt. Bei tiefen Temperaturen findet man im normalleitenden Zustand für alle betrachteten Substanzen ein charakteristisches Abweichen des Widerstands vom Bloch-Grüneisen-Gesetz. Bei HoNi2B2C tritt beim antiferromagnetischen Phasenübergang im Widerstand und in der Thermokraft ein reentrant-Verhalten auf. Die thermische Leitfähigkeit von MgB2 wird unterhalb von 7 K durch die Streuung der Phononen an Korngrenzen bestimmt. Das Fehlen eines Maximums in der Wärmeleitfähigkeit im supraleitenden Zustand und einer Anstiegsänderung bei der Sprungtemperatur liefert einen Hinweis auf die Gültigkeit des Zweibandmodells, mit welchem auch der Temperaturverlauf der Wärmekapazität erklärt werden kann. Messungen der Thermokraft bestätigen den unterschiedlichen Charakter der Ladungsträger im normalleitenden Zustand der untersuchten Supraleiter, wobei Elektronendiffusion und Phonon Drag die Messdaten aller betrachteten Verbindungen in weiten Temperaturbereichen beschreiben. Für HoNi2B2C wird die thermische Ausdehnung unterhalb von 10 K durch den Beitrag der magnetischen Ordnung bestimmt. Der Grüneisen-Parameter weist für alle untersuchten Substanzen in Teilbereichen sehr große Beträge auf. Sein Temperaturverlauf hängt bei MgB2 offenbar mit Eigenschaften der maßgeblichen Phononenmode zusammen. Für die Borkarbide ist die Richtungsabhängigkeit des elektrischen Widerstandes sehr schwach, in der Wärmeleitfähigkeit hingegen recht stark ausgeprägt. Abgesehen vom antiferromagnetischen Phasenübergang bei HoNi2B2C weisen Thermokraft und Ausdehnungskoeffizient eine geringe Anisotropie auf.

The generation and propagation of pulses of nonequilibrium acoustic phonons and their interaction with semiconductor nanostructures are investigated. Such studies can give unique information about the properties of low-dimensional electron systems, but in order to interpret the experiments and to understand the underlying physics, a comparison with theoretical models is absolutely necessary. A central point of this work is therefore a universal theoretical approach allowing the simulation and the analysis of phonon spectroscopy measurements on low-dimensional semiconductor structures. The model takes into account the characteristic properties of the considered systems. These properties are the elastic anisotropy of the substrate material leading to focusing effects and highly anisotropic phonon propagation, the anisotropic nature of the different electron-phonon coupling mechanisms, which depend manifestly on phonon wavevector direction and polarization vector, and the sensitivity to the confinement parameters of the low-dimensional electron systems. We show that screening of the electron-phonon interaction can have a much stronger influence on the results of angle-resolved phonon spectroscopy than expected from transport measurements. Since we compare theoretical simulations with real experiments, the geometrical arrangement and the spatial extension of phonon source and detector are also included in the approach enabling a quantitative analysis of the data this way. To illustrate the influence of acoustic anisotropy and carrier confinement on the results of phonon spectroscopy in detail we analyse two different applications. In the first case the low-dimensional electron system acts as the phonon detector and the phonon induced drag current is measured. Our theoretical model enables us to calculate the electric current induced in low-dimensional electron systems by pulses of (ballistic) nonequilibrium phonons. The theoretical drag patterns reproduce the main features of the experimental images very well. The sensitivity of the results to variations of the confining potential of quasi-2D and quasi-1D electrons is demonstrated. This provides the opportunity to use phonon-drag imaging as unique experimental tool for determining the confinement lengths of low-dimensional electron systems. By comparing the experimental and theoretical images it is also possible to estimate the relative strength of the different electron-phonon coupling mechanisms.In the second application the low-dimensional electron system acts as the phonon pulse source and the angle and mode dependence of the acoustic phonon emission by hot 2D electrons is investigated. The results exhibit strong variations in the phonon signal as a function of the detector position and depend markedly on the coupling mechanism, the phonon polarization and the electron confinement width. We demonstrate that the ratio of the strengths of the emitted longitudinal (LA) and transverse (TA) acoustic phonon modes is predicted correctly only by a theoretical model that properly includes the effects of acoustic anisotropy on the electron-phonon matrix elements, the screening, and the form of the confining potential. A simple adoption of widely used theoretical assumptions, like the isotropic approximation for the phonons in the electron-phonon matrix elements or the use of simple variational envelope wavefunctions for the carrier confinement, can corrupt or even falsify theoretical predictions.We explain the `mystery of the missing longitudinal mode' in heat-pulse experiments with hot 2D electrons in GaAs/AlGaAs heterojunctions. We demonstrate that screening prevents a strong peak in the phonon emission of deformation potential coupled LA phonons in a direction nearly normal to the 2D electron system and that deformation potential coupled TA phonons give a significant contribution to the phonon signal in certain emission directions. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Ausbreitung von akustischen Nichtgleichgewichtsphononen und deren Wechselwirkung mit Halbleiter-Nanostrukturen. Güte und Effizienz moderner Halbleiter-Bauelemente hängen wesentlich vom Verständnis der Wechselwirkung akustischer Phononen mit niederdimensionalen Elektronensystemen ab. Traditionelle Untersuchungsmethoden, wie die Messung der elektrischen Leitfähigkeit oder der Thermospannung, erlauben nur eingeschränkte Aussagen. Sie mitteln über die beteiligten Phononenmoden und eine Trennung der einzelnen Wechselwirkungsmechanismen ist nur näherungsweise möglich ist. Demgegenüber erlaubt die in der Arbeit diskutierte Methode der winkel- und zeitaufgelösten Phononen-Spektroskopie ein direktes Studium des Beitrags einzelner Phononenmoden, d.h. in Abhängigkeit von Wellenzahlvektor und Polarisation der Phononen. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Fragestellung, wie akustische Anisotropie und Ladungsträger-Confinement die Ergebnisse der winkel- und zeitaufgelösten Phononen-Spektroskopie beeinflussen und prägen. Dazu wird ein umfassendes theoretisches Modell zur Simulation von Phononen-Spektroskopie-Experimenten an niederdimensionalen Halbleitersystemen vorgestellt. Dieses erlaubt sowohl ein qualitatives Verständnis der ablaufenden physikalischen Prozesse als auch eine quantitative Analyse der Messergebnisse. Die Vorteile gegenüber anderen Modellen und Rechnungen liegen dabei in dem konsequenten Einbeziehen der akustischen Anisotropie, nicht nur für die Ausbreitung der Phononen, sondern auch für die Matrixelemente der Wechselwirkung, sowie eine saubere Behandlung des Confinements der Elektronen in den niederdimensionalen Systemen. Dabei werden die Grenzen weit verbreiteter Näherungsansätze für die Elektron-Phonon-Matrixelemente und das Elektronen-Confinement deutlich aufgezeigt. Für den quantitativen Vergleich mit realen Experimenten werden aber auch solche Größen, wie die endliche räumliche Ausdehnung von Phononenquelle und Detektor, die Streuung der Phononen an Verunreinigungen oder die Abschirmung der Elektron-Phonon-Kopplung durch die Elektron-Elektron-Wechselwirkung berücksichtigt.Im zweiten Teil der Arbeit wird der theoretische Apparat auf typische experimentelle Fragestellungen angewandt. Im Falle der Phonon-Drag-Experimente an GaAs/AlGaAs Heterostrukturen wird der durch akustische Nichtgleichgewichtsphononen in zwei- und eindimensionalen Elektronensystemen induzierte elektrische Strom (Phonon-Drag-Strom) als Funktion des Ortes der Phononenquelle bestimmt. Das in der Arbeit hergeleitete theoretische Modell kann die experimentellen Resultate für die Winkelabhängigkeit des Drag-Stromes sowohl für Messungen mit und ohne Magnetfeld qualitativ gut beschreiben. Außerdem wird der Einfluss unterschiedlicher Confinementmodelle und unterschiedlicher Wechselwirkungsmechanismen studiert. Dadurch ist es möglich, aus Phonon-Drag-Messungen Rückschlüsse auf die elektronischen und strukturellen Eigenschaften der niederdimensionalen Elektronensysteme zu ziehen (Fermivektor, effektive Masse, Elektron-Phonon-Kopplungskonstanten, Form des Confinementpotentials). Als weiteres Anwendungsbeispiel wird das Problem der Energierelaxation (aufgeheizter)zweidimensionaler Elektronensysteme in GaAs Heterostrukturen und Quantentrögen untersucht. Für Elektronentemperaturen unterhalb 50 K werden die Gesamtemissionsrate als Funktion der Temperatur und die winkelaufgelöste Emissionsrate (als Funktion der Detektorposition) berechnet. Für beide Größen wird erstmals eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment gefunden. Es zeigt sich, dass akustische Anisotropie und Abschirmungseffekte zu überraschenden neuen Ergebnissen führen können. Ein Beispiel dafür ist der unerwartet große Beitrag der mittels Deformationspotential-Wechselwirkung emittierten transversalen akustischen Phononen, der bei einer Emission der Phononen näherungsweise senkrecht zum zweidimensionalen System beobachtet werden kann.

This thesis deals with exciton relaxation processes in thin polycrystalline films and matrix-isolated molecules of the perylene derivatives PTCDA (3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride) and MePTCDI (N,N'-dimethylperylene-3,4,9,10-dicarboximide). Using femtosecond pump-probe spectroscopy, transient absorption spectra, excitonic relaxation in the lowest excited state subsequent to excitation, and exciton-exciton interaction and annihilation at high excitation densities have been addressed. Transient absorption spectroscopy in the range 1.2eV-2.6eV has been applied to thin polycrystalline films of PTCDA and MePTCDI and to solid solutions of PTCDA and MePTCDI molecules (monomers) in a SiO2 matrix. We are able to ascribe the respective signal contributions to ground state bleaching, stimulated emission, and excited state absorption. Both systems exhibit broad excited-state absorption features below 2.0eV, with dominant peaks between 1.8eV and 2.0eV. The monomer spectra can be consistently explained by the results of quantum-chemical calculations on single molecules, and the respective experimental polarization anisotropies for the two major transitions agree with the calculated polarizations. Dimer calculations allow to qualitatively understand the trends visible in the experimental results from monomers to thin films. The broad excited state absorption band between 1.8eV and 2.0eV allows to probe the population dynamics in the first excited state of thin films. We show that excitons created at the Gamma point relax towards the border of the Brillouin zone on a 100fs time scale in both systems. Excitonic relaxation is accelerated by increase of temperature and/or excitation density, which is attributed to stimulated phonon emission during relaxation in k-space. Lower and upper limits of the intraband relaxation time constants are 25fs (resolution limit) and 250fs (100fs) for PTCDA (MePTCDI). These values agree with the upper limit for the intraband relaxation time of 10ps, evaluated from time-resolved luminescence measurements. While the luminescence anisotropy is in full accordance with the predictions made by a luminescence anisotropy model being consistent with the exciton model of Davydov-split states, the pump-probe anisotropy calls for an explanation beyond the models presently available. At excitation densities 10^(19)cm^(-3), the major de-excitation mechanism for the relaxed excitons is exciton-exciton annihilation, resulting in a strongly reduced exciton life time. Three different models for the microscopic behavior have been tested: a diffusion-limited annihilation model in both three and one dimensions (with diffusion constant D as fit parameter) as well as a long-range single-step Förster-type annihilation model (with Förster radius RF as fit parameter). For PTCDA, the latter two, being structurally equivalent, allow to fit a set of multiexponential decay curves for multiple initial exciton densities with high precision. In contrast, the three-dimensional diffusion-limited model is clearly inferior. For all three models, we extract annihilation rates, diffusion constants and diffusion lengths (or Förster radii), for both room and liquid helium temperature. Temperature dependence and orders of magnitude of the obtained parameters D or RF correspond to the expectations. For MePTCDI, the 1D and the Förster model are in good agreement for a smaller interval of excitation densities. For a initial exciton densities higher than 5 x 10^(19)cm^(-3), the 3D model performs significantly better than the other two.