Cerium oxide (ceria)-based materials in the nanoscale regime are of significant fundamental and technological interest. Nanoceria in pure and doped forms has current and potential use in solid oxide fuel cells, catalysis, UV- screening, chemical mechanical planarization, oxygen sensors, and bio-medical applications. The characteristic feature of Ce to switch between the +3 and + 4 oxidation states renders oxygen buffering capability to ceria. The ease of this transformation was expected to be enhanced in the nanoceria. In most the practical scenarios, it is necessary to have a stable suspension of ceria nanoparticles (CNPs) over longer periods of time. However, the existing literature is confined to short term studies pertaining to synthesis and property evaluation. Having understood the need for a comprehensive understanding of the CNP suspensions, this dissertation is primarily aimed at understanding the behavior of CNPs in various chemical and physical environments. We have synthesized CNPs in the absence of any surfactants at room temperature and studied the aging characteristics. After gaining some understanding about the behavior of this functional oxide, the synthesis environment and aging temperature were varied, and their affects were carefully analyzed using various materials analysis techniques such as high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), UV-Visible spectroscopy (UV-Vis), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). When the CNPs were aged at room temperature in as-synthesized condition, they were observed to spontaneously assemble and evolve as fractal superoctahedral structures. The reasons for this unique polycrystalline morphology were attributed to the symmetry driven assembly of the individual truncated octahedral and octahedral seed of the ceria. HRTEM and Fast Fourier Transform (FFT) analyses were used to explain the agglomeration behavior and evolution of the octahedral morphology. Some of the observations were supported by molecular dynamic simulations. Poly (ethylene glycol) (PEG) and ethylene glycol (EG) were used to control the kinetics of this morphology evolution. The ability to control the agglomeration of CNPs in these media stems from the lower dielectric constant and an increased viscosity of the EG and PEG based solvents. CNPs when synthesized and aged in frozen conditions, i.e. in ice, were found to form one dimensional, high aspect ratio structures. A careful analysis has provided some evidence that the CNPs use the porous channels in ice as a template and undergo oriented attachment to form nanorods. When the aging treatment was done near freezing temperature in solution, the nanorods were not observed, confirming the role of channels in ice. When synthesized in aqueous media such as DI water, PEG and EG; CNPs were observed to exhibit a reversible oxidation state switching between +3 and +4. Band gap values were computed from the optical absorption data. The changes in the band gap values observed were attributed to the changes in the oxidation state of CNPs as opposed to the quantum confinement effects, as expected in other nanoparticle systems. The work presented in this dissertation demonstrates, with evidence, that in order to obtain a comprehensive understanding of the properties of nanoscale materials it is of paramount importance to monitor their behavior over relatively longer periods of time under various ambient environments. While the solution based techniques offer a versatility and low cost route to study the fundamental properties of nanomaterials, they suffer some inherent problems such as precursor contamination and uncontrolled chemical reactions. Especially when analyzing the behavior of ceria-based materials for applications like solid oxide fuel cells, a great control in the density and crystalline quality are desired. In order to achieve this, as a first step pure ceria thin films were synthesized using oxygen plasma assisted molecular beam epitaxy (OPA-MBE). The ceria films were analyzed using various in situ and ex situ techniques to study the crystal structure, growth mode and epitaxial quality of the films. It was observed that the epitaxial orientation of the ceria films could be tuned by varying the deposition rate. When the films were grown at low deposition rate (< 8 Å/min) ceria films with epitaxial (200) orientation were observed where as the films grown at high deposition rates (up to 30 Å/min) showed (111) orientation. Theoretical simulations were used to confirm some of the experimental facts observed in both nanoparticles and thin films.

The main objective of this research is to design, model and implement several antenna geometries using electromagnetic band gap (EBG) material and a defected ground plane. Several antenna applications are addressed with the aim of improving performance, particularly the mutual coupling between the elements. The EBG structures have the unique capability to prevent or assist the propagation of electromagnetic waves in a specific band of frequencies, and have been incorporated here in antenna structures to improve patterns and reduce mutual coupling in multielement arrays. A neutralization technique and defected ground plane structures have also been investigated as alternative approaches, and may be more practical in real applications. A new Uni-planar Compact EBG (UC-EBG) formed from a compact unit cell was presented, giving a stop band in the 2.4 GHz WLAN range. Dual band forms of the neutralization and defected ground plane techniques have also been developed and measured. The recorded results for all antenna configurations show good improvement in terms of the mutual coupling effect. The MIMO antenna performance with EBG, neutralization and defected ground of several wireless communication applications were analysed and evaluated. The correlation coefficient, total active reflection coefficient (TARC), channel capacity and capacity loss of the array antenna were computed and the results compared to measurements with good agreement. In addition, a computational method combining Genetic Algorithm (GA) with surface meshing code for the analysis of a 2×2 antenna arrays on EBG was developed. Here the impedance matrix resulting from the meshing analysis is manipulated by the GA process in order to find the optimal antenna and EBG operated at 2.4 GHz with the goal of targeting a specific fitness function. Furthermore, an investigation of GA on 2×2 printed slot on DGS was also done. / Ministry of Higher Education Malaysia and Universiti Tun Hussein Onn Malaysia (UTHM)

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There are more connected wireless devices than everbefore and with the rise of new smart systems such as self-drivingcars and smart cities new antenna solutions for transmittingsignals are needed. One important part of these systems is thefilters which filter out all the unwanted signals. In this report,we present a solution for manufacturing such a filter with apassband from 26-29 GHz and a stopband from 29-60 GHz usinga fully metallic glide-symmetric structure. Ideas of combiningmultiple unit cell designs to achieve wider stopbands and higherattenuation are explored using dispersion engineering wherethe advantages and the disadvantages of using this method arepresented. Furthermore, ways of combining the filter to standardconnections using a coaxial cable to waveguide transition areproposed and designed. The usage of multiple unit cell designsis proven to be a solution for achieving wider stopbands withminimum coupling between modes. / Det finns fler trådlösa enheter uppkoppladeän n°agonsin tidigare och med ökningen av nya smarta systemsom självkörande bilar och smarta städer finns ett behov av nyaantennlösningar för överföring av information. En viktig del avdessa system är filtren som filtrerar bort alla oönskade signaler.I denna rapport presenterar vi en lösning för att konstrueraett sådant filter med ett passband från 26-29 GHz och ettstoppband från 29-60 GHz med en helt metallisk glidsymmetriskstruktur. Id´eer att kombinera flera enhetscellsdesigner för attuppnå bredare stoppband och högre attenuering undersöks medhjälp av dispersionsteknik, där fördelarna och nackdelarna medatt använda denna metod presenteras. Dessutom föreslås ochutformas sätt att kombinera filtret till standardanslutningar meden koaxialkabel till vågledarövergång. Användningen av fleraenhetscell designer visar sig vara en lösning för att skapa bredastoppband med minimal koppling mellan ”modes”. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2021, KTH, Stockholm

[ES] El interés en desarrollar biosensores de alta sensibilidad para identificar y cuantificar una amplia gama de moléculas ha aumentado notablemente durante las últimas décadas en numerosos campos de aplicación. Entre ellos probablemente el más demandado sea el diagnóstico médico, el cual ha sido impulsado por el descubrimiento de nuevos biomarcadores de enfermedades, tales como los miRNAs. No obstante, la mayoría de las técnicas existentes para realizar la detección requieren el uso de marcadores debido a la falta de sensibilidad para detectar analitos en bajas concentraciones. Las estructuras ópticas basadas en campo evanescente, donde la luz es usada para transformar interacciones bioquímicas en variaciones de las señales ópticas, constituyen una interesante alternativa para el desarrollo de este tipo de biosensores sin la necesidad de utilizar marcadores (label-free). Concretamente las estructuras fotónicas integradas en tecnología Silicon On Insulator exhiben alta sensibilidad, bajo límite de detección y alto nivel de multiplexación en aplicaciones de detección, especialmente cuando se utilizan materiales y procesos basados en silicio y compatibles con CMOS. En esta Tesis Doctoral se muestra el desarrollo de un biosensor fotónico integrado label-free para la detección de oligonucleótidos, y más concretamente biomarcadores de cáncer miRNAs. Este biosensor está basado en la combinación de estructuras de band gap fotónico y la inmovilización de sondas de tipo molecular beacon sobre su superficie. La combinación de sendos elementos de transducción y bioreconomiento ha proporcionado una elevada sensibilidad en la detección de oligonucleótidos manteniendo un footprint por debajo de 100 µm2. El uso de este biosensor fotónico ha permitido también estudiar experimentalmente una novedosa técnica de amplificación de detección. Esta técnica explota el cambio conformacional sufrido por la sonda molecular beacon tras la hibridación con su oligonucleótido complementario, permitiendo alejar una partícula/molécula de la superficie del sensor, lo cual podría ser utilizado para amplificar la respuesta de detección del sensor. Finalmente se propone una estrategia de regeneración en línea de los biosensores nanofotónicos desarrollados mediante una estrategia química basada en el uso de formamida. Esta estrategia no solo permite ahorrar tiempo sino que también reduce la variación entre las medidas obtenidas en experimentos diferentes, siendo especialmente útil cuando se testean niveles similares de analito. / [CA] L'interés en desenvolupar biosensors d'alta sensibilitat per a identificar i quantificar una àmplia gamma de molècules ha augmentat notablement durant les últimes dècades en nombrosos camps d'aplicació. Entre ells probablement el més demandat siga el diagnòstic mèdic, el qual ha sigut impulsat pel descobriment de nous biomarcadors de malalties, com ara els miRNAs. No obstant això, la majoria de les tècniques existents per a realitzar la detecció requereixen l'ús de marcadors a causa de la falta de sensibilitat per a detectar anàlits en baixes concentracions. Les estructures òptiques basades en camp evanescent, on la llum és usada per a transformar interaccions bioquímiques en variacions dels senyals òptics, constitueixen una interessant alternativa per al desenvolupament d'aquesta tipus de biosensors sense la necessitat d'utilitzar marcadors (label-free). Concretament les estructures fotòniques integrades en tecnologia Silicon On Insulator exhibeixen alta sensibilitat, baix límit de detecció i alt nivell de multiplexació en aplicacions de detecció, especialment quan s'utilitzen materials i processos basats en silici i compatibles amb CMOS. En aquesta Tesi Doctoral es mostra el desenvolupament d'un biosensor fotònic integrat label-free per a la detecció d'oligonucleòtids, i més concretament biomarcadors de càncer miRNAs. Aquest biosensor està basat en la combinació d'estructures de band gap fotònic i la immobilització de sondes de tipus molecular beacon sobre la seua superfície. La combinació d'ambdós elements de transducció i bioreconeixement ha proporcionat una elevada sensibilitat en la detecció d'oligonucleòtids mantenint un footprint per davall de 100 µm². L'ús d'aquest biosensor fotònic ha permés també estudiar experimentalment una nova tècnica d'amplificació de detecció. Aquesta tècnica explota el canvi conformacional patit per la sonda molecular beacon després de la hibridació amb el seu oligonucleòtid complementari, permetent allunyar una partícula/molècula de la superfície del sensor, la qual cosa podria ser utilitzada per amplificar la resposta de detecció del sensor. Finalment es proposa una estratègia de regeneració en línia dels biosensors nanofotònics desenvolupats mitjançant una estratègia química basada en l'ús de formamida. Aquesta estratègia no sols permet estalviar temps sinó que també redueix la variació entre les mesures obtingudes en experiments diferents, sent especialment útil quan es testen nivells similars d'anàlit. / [EN] The interest in developing highly sensitive biosensors to identify and quantify a wide range of molecules has remarkably been increasing during the last decades in numerous application fields. Among them, medical diagnosis is probably the most demanded, which has been driven by the discovery of new biomarkers of diseases, such as miRNAs. However, most of the existing techniques to perform the detection require the use of labels due to the lack of sensitivity to detect analytes at low concentrations. Evanescent-wave optical structures, where light is used to transduce biochemical interactions into variations of the optical signals, are an interesting alternative for the development of this type of biosensors allowing a label-free detection. Specifically, the planar integrated photonic structures based on Silicon On Insulator technology exhibit an extremely high sensitivity, a low detection limit and a high level of multiplexing in detection applications, especially when using materials and processes based on silicon and being CMOS compatible. This PhD Thesis is focused on the development of label-free integrated photonic biosensors for the detection of oligonucleotides, and more specifically miRNA cancer biomarkers. This biosensor is based on the combination of photonic band gap structures and the immobilization of molecular beacon probes on its surface. The combination of both transduction and biorecognition elements has provided a very high sensitivity towards the detection of target oligonucleotides while keeping a sensor footprint below 100 µm2. The use of this photonic biosensor also allowed the experimental study of a novel detection amplification technique. This technique exploits the conformational change suffered by the molecular beacon probe after hybridization with its complementary oligonucleotide, allowing the displacement of a particle/molecule away from the sensor surface, what might be used for amplifying the sensor's detection response. Finally, an online regeneration strategy for nanophotonic biosensors developed through a chemical strategy based on the use of formamide is proposed. This strategy not only saves time but also reduces the variation between measurements obtained in different experiments, being especially useful when testing similar levels of analyte. / Ruiz Tórtola, Á. (2021). Desarrollo de biosensores nanofotónicos de alta sensibilidad para la detección de biomarcadores microRNA en aplicaciones de diagnóstico médico [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172631

The main goals of this thesis are to design and examine heterogeneous antennas for different wireless applications of a wide variety of EM spectrum requirements: which includes WLAN 5.0 GHz, WLAN (2.45 GHz), UMTS (1.92-2.17 GHz), 2G, UMTS, LTE, ultra-wideband (UWB) applications, and MBAN applications (2.4 GHz). Various techniques for expanding bandwidth, enhancing performance, and balancing the operation have been examined through comprehensive simulated and physically fabricated models. Thereafter, a compact DRA, for UWB applications is examined. The combined resultant effects of asymmetric positioning of DRs (2, 3 and 4 Cylindrical elements), defected ground technique, dimensions, and profile of the aperture give RF designers detailed scope of the optimization process. More resonances are achieved, and the bandwidth is improved. The obtained results show that, an impedance bandwidth of 133.0%, which covers the Ultra­ Wideband band (3.6GHz - 18.0GHz), with a maximum power gain of 9dBi attained. In addition, a compact conformal wearable CPW antenna using EBG-FSS for MBAN applications at 2.4GHz is proposed. They are designed using fabric materials suitable for daily clothing. The performance of the antenna is investigated in free space, on a layered biological tissue model, and on a real human body to evaluate SAR. When the antenna is combined with an EBG-FSS structure, isolation between the antenna and the human body is introduced. The results show that the FBR is enhanced by 13 dB, the gain by 6.55dBi, and the SAR is lowered by more than 94%. The CPW antenna demonstrated here is appropriate for future MBAN wearable systems. The design, investigation, and application of water level monitoring utilizing subsurface wireless sensor are covered in this thesis. A wideband double inverted-F antenna is designed and examined to overcome signal attenuation issues. The obtained result is feasible, which has an operating bandwidth of 0.8 to 2.17GHz, with a reflection coefficient better than 10 dB. Moreover, a field trial is conducted to evaluate the robustness of the antenna under extreme conditions. A very good efficiency was also demonstrated, with losses of under 20%. Further, the results from the field experiment established that the antenna is a reliable contender for wireless communication in such challenging environments. / Libyan Ministry of Higher Education / The full text will be available at the end of the embargo: 19th June 2025

Solarzellen auf Basis von hybriden Perowskiten, wie zum Beispiel Methylammoniumbleitriiodid (CH3NH3PbI3), stellen eine der vielversprechendsten Solarzellenkonzepte dar. Dabei wurden Wirkungsgrade über 20 % gezeigt. Perowskite werden durch verschiedene lösungsbasierte Techniken abgeschieden. Daher konzentriert sich der erste Teil dieser Dissertation auf die Bildung von hybriden Perowskiten in der Lösung, während der zweite Teil der Stabilität von hybriden Perowskiten gewidmet ist. Im ersten Teil, wird die Bildung von Polyiodidplumbaten aus PbI2 in Lösung nachgewiesen. Die Bildung dieser Polyiodidplumbate konnte unabhängig von dem gewählten Lösungsmittel sowie unabhängig von der Beigabe von Methylammoniumiodid (CH3NH3I) beobachtet werden. Die Polyiodidplumbate zeigten, ähnlich wie CH3NH3PbI3, ein Photolumineszenzmaximum bei einer Wellenlänge von 760 nm, was auf einen gemeinsamen Ursprung des angeregten Zustands in PbI2-Komplexen und CH3NH3PbI3 hindeutet. Im zweiten Teil wurden darüber hinaus die Lichtbeständigkeit sowie die thermische und kompositionelle Stabilität untersucht. Die Untersuchung der thermischen Stabilität hat gezeigt, dass Tempern bei T <190 °C zu einer Verbesserung der Morphologie und der optoelektronischen Eigenschaften führt. Oberhalb einer Temperatur von 190 °C kam es dabei zur Zersetzung des Materials. Die Stabilität der Komposition wurde anhand von CsPb(I[1-x]Br[x])3-Perowskiten untersucht. Die Herstellung von Perowskiten mit einer großen Bandlücke war zunächst nicht möglich, da es bei den dafür notwendigen Kompositionen (0,3<x<1) zur Phasentrennung kommt. Im Gegensatz dazu konnte durch den Zusatz von Ethylendiammoniumdiodid (EDDI) zu CH3NH3PbI3 die Bandlücke zwischen 1,6 und 1,8 eV variiert werden. Die Lichtstabilität von CH3NH3PbI3, CH(NH2)2PbI3 sowie gemischt Perowskiten wurde mittels in-situ Infrarotspektroskopie analysiert. Die Zersetzung des Materials war durch die lichtinduzierte Spaltung der N-H-Bindungen bei hv ≥ 2,72 eV gekennzeichnet. / Hybrid perovskites such as methylammonium lead iodide, CH3NH3PbI3, are one of the most promising absorber materials for photovoltaic energy conversion with demonstrated power conversion efficiencies beyond 20 %. In addition, hybrid perovskites can be deposited by various solution-based fabrication techniques. Therefore, the first part of this dissertation is focused on the formation of hybrid perovskites in the precursor solution, while the second part is dedicated to the study of the stability of hybrid perovskites. In the first part of this thesis, the formation of polyiodide plumbates between molecules of PbI2 was detected. Importantly, the formation of polyiodide plumbates was observed independently of the solvent choice or the presence of CH3NH3I. The polyiodide plumbates exhibited a photoluminescence peak located at 760 nm, similarly to CH3NH3PbI3, which suggests a common origin of the excited state in PbI2 complexes and CH3NH3PbI3. In the second part of this thesis, the thermal, compositional, and photostability of perovskite thin films were evaluated. The study of the thermal stability has shown that post-annealing at T < 190 °C leads to the improvement of morphology and optoelectronic properties. Above 190 °C, CH3NH3PbI3 was found to degrade. Next, the compositional stability of mixed CsPb(I[1-x]Br[x])3 perovskites was investigated. A fundamental miscibility gap between 0.3 < x <1 was demonstrated, that impedes the preparation of high band-gap perovskites. To overcome this intrinsic instability, a new approach for band-gap engineering was developed. An addition of ethylenediammonium diiodide (EDDI) allowed to alter the band gap of CH3NH3PbI3 from 1.6 to 1.8 eV. Finally, the influence of light on the stability of hybrid perovskites was studied. A degradation of CH3NH3PbI3, CH(NH2)2PbI3, as well as mixed perovskites, was observed through photo-dissociation of N-H bonds with hν ≥ 2.72 eV by means of in-situ Fourier-transform infrared spectroscopy.

In dieser Doktorarbeit untersuchen wir den Einfluss von Elektron-Phonon-Wechselwirkungen (EPW) auf die Bandlueckenrenormierung in kristallinen Festkoerpern bei endlichen Temperaturen. Das Hauptziel besteht darin, den Einfluss der Kernbewegung und der thermischen Ausdehnung des Gitters auf die Bandstruktur in einer Vielzahl von Materialien zu quantifizieren. Zu diesem Zweck wird der Temperatureinfluss auf das EPW in harmonischen Naeherungen unter Verwendung der stochastischen Abtastmethode und vollstaendig anharmonisch durch Durchführung von ab initio Molekulardynamiksimulationen (aiMD). Die Bandluecke bei endlichen Temperaturen wird aus der thermodynamisch gemittelten Spektralfunktion extrahiert, die unter Verwendung der Bandentfaltungstechnik berechnet wird. Waehrend die Verwendung von aiMD bereits fuer Berechnungen von EPW verwendet wurde, wurde die Kombination von aiMD und Bandentfaltung zur Behandlung der Bandluecken renormalisierung erst kuerzlich verwendet. In dieser Doktorarbeit haben wir eine verbesserte Bandentfaltungstechnik verwendet, um die Berechnung effektiv zu verwalten. Diese verbesserte Methode enthaelt mehrere methodische Neuerungen, die dazu dienen, den Rechenaufwand zu verringern und das statistische Rauschen in den Endergebnissen zu minimieren. Die aktualisierte Methode wurde gruendlich bewertet, dokumentiert und mit einer benutzerfreundlichen Oberflaeche gestaltet. Wir praesentieren eine umfassende Untersuchung der numerischen Aspekte der thermodynamischen Mittelung, der Schaetzung von Fehlerbalken und der Bewertung der Konvergenz in Bezug auf die Groesse der Simulationssuperzelle. Unser etabliertes Protokoll ermoeglicht die Berechnung der Bandlückenrenormierung bei endlichen Temperaturen, was in guter Uebereinstimmung mit frueheren theoretischen Studien und experimentellen Daten steht. / In this thesis, we investigate the influence of electron-phonon interactions (EPI) on the band gap renormalization in crystalline solids at finite temperatures. The main goal is to identify the impact of the nuclear motion and the lattice thermal expansion on the band structure in a wide range of materials. For this purpose, the temperature influence on the EPI is calculated in the harmonic approximations by utilizing the stochastic sampling methodology and fully anharmonically, by performing ab initio molecular dynamics simulations (aiMD). The band gap at finite temperatures is extracted from the thermodynamically averaged spectral function, which is calculated using band-unfolding technique. While utilization of aiMD was already used for calculations of EPI the combination of aiMD and band-unfolding to treat the band gap renormalization was used only recently. In this thesis, we employed an improved band unfolding technique in order to effectively manage the calculations. This improved method incorporates several methodological innovations that serve to mitigate computational cost and minimize statistical noise in the final results. The updated method was thoroughly benchmarked, documented, and designed with a user-friendly interface. We present a comprehensive examination of the numerical aspects of thermodynamic averaging, the estimation of error bars, and the evaluation of convergence with respect to the size of the simulation supercell. Our established protocol enables the calculation of band gap renormalization at finite temperatures, which is in good agreement with prior theoretical studies and experimental data.

Diese Arbeit untersucht den Einfluss der elektronischen Bandstruktur von Festkörperoberflächen auf den resonanten Ladungsaustausch zwischen Festkörpern und atomaren Projektilen. Dazu wurden diese atomaren Projektile an einkristallinen Cu(111)- und Cu(110)-Oberflächen gestreut. Die Streuung erfolgt unter streifendem Einfall, typischerweise bei Einfallswinkeln zwischen 0.5 bis zu 4 Grad zur Oberfläche bei Projektilgeschwindigkeiten von 0.05 bis zu 1.4 atomaren Einheiten. Unter diesen Bedingungen erfolgt kein Eindringen des Projektils in den Festkörper, sondern eine Reflektion des Projektils von der Oberfläche. Somit können die Ladungszustände der auslaufenden Projektile als Funktion von Projektilgeschwindigkeit und Einfallswinkel untersucht werden. Die Verteilung der Ladungszustände nach der Streuung hängt theoretischen Vorhersagen zufolge signifikant von der Bandstruktur der Festkörperoberfläche ab. Die Experimente wurden an zwei verschiedenen Cu-Oberflächen durchgeführt. Während die Cu(110)-Oberfläche gut durch das Modell des freien Elektronengases (jellium-Modell) beschrieben werden kann, ist die Cu(111)-Oberfläche durch eine Bandlücke im Bereich der Fermienergie sowie durch einen in der Bandlücke liegenden Oberflächenzustand gekennzeichnet. Um den Effekt der elektronischen Bandstruktur auf den resonanten Ladungsaustausch zwischen Festkörperoberflächen und atomaren Zuständen deutlich herauszustellen, wurden atomare Zustände, die sich energetisch in Resonanz zur Bandlücke befinden, untersucht. Insbesondere wurde der Ladungsaustausch von negativen Wasserstoff-, Fluor-, Chlor-, Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Schwefelionen sowie der Grund- und angeregten Zustände von Lithium, Natrium und Kalium mit Cu(110)- und Cu(111)-Oberfläche experimentell untersucht. Die Neutralisation hochgeladener Ionen an einer Cu(111)-Fläche wurde stellvertretend am Beispiel von bis zu 21-fach geladenen Xenonionen studiert. Gravierende Effekte der elektronischen Bandstruktur der Cu(111)-Oberfläche wurden durch die Theorie für die Formierung negativer Wasserstoffionen vorhergesagt. Nach den Ergebnissen der WPP-Methode wird das Maximum der Abhängigkeit der H- -Ausbeute von der Parallelgeschwindigkeit bei 6% erwartet, während bei einer jellium-Oberfläche gleicher Austrittsarbeit und Fermienergie nur etwa 0.3% negativer Ionen vorhergesagt werden. Mit einer experimentell ermittelten H- -Ausbeute von maximal 1% wird ein signifikanter Einfluß der elektronischen Bandstruktur auf den Ladungsaustausch bestätigt. Der Verlauf der Geschwindigkeitsabhängigkeit der Ausbeute an negativen Ionen, insbesondere die Breite der Resonanzstruktur, deutet in Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage auf eine dominante Beteiligung des Oberflächenzustandes am resonanten Ladungsaustausch hin. Die Differenz zwischen experimentellen und theoretischen Ergebnissen wird durch die Existenz eines zusätzlichen Elektronen-Verlustkanals erklärt. Die Berücksichtigung der Streuung an Festkörperelektronen führt zu einer wesentlichen Verbesserung der Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie. Die experimentelle Untersuchung der Neutralisation der Alkaliatome Lithium, Natrium und Kalium bestätigt einen signifikanten Einfluß der Bandlücke der Cu(111)-Oberfläche auf den resonanten Ladungsaustausch: Im Vergleich zur Vorhersage des jellium-Modells treten deutlich erhöhte Ausbeuten an neutralisierten Projektilen auf. Weiterhin finden sich in der Abhängigkeit der Neutralausbeuten von der Parallelgeschwindigkeit mehrere Maxima bzw. Schulterstrukturen, die auch von der WPP-Theorie qualitativ vorhergesagt werden. Die bei der Formierung negativer Halogenionen experimentell beobachtete Signatur der elektronischen Bandstruktur ist schwächer, als dies bei der Neutralisation von Alkaliatomen und der Formierung negativer Wasserstoffionen beobachtet werden konnte. Ein deutlicher Effekt der Bandlücke kann aber auch hier, wie auch bei der Streuung von Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Schwefelionen, konstatiert werden. Die Untersuchung des Ladungsaustausches an der Cu(110)-Oberfläche ergab in allen Fällen eine gute Übereinstimmung mit der Vorhersage des jellium-Modells. Die in dieser Arbeit vorgestellten experimentellen Ergebnisse zeigen, daß die elektronische Bandstruktur der Cu(111)-Oberfläche den resonanten Ladungsaustausch substantiell beeinflußt. Das wurde besonders am Beispiel der Formierung negativer Wasserstoffionen und der Neutralisation von Alkaliatomen überzeugend demonstriert. Die Überzeugungskraft der experimentellen Ergebnisse wird durch die gute Übereinstimmung der an der (110)-Fläche des gleichen Metalls erzielten experimentellen Resultate mit den Vorhersagen des jellium-Modells erhöht. / This thesis investigates the influence of the electronic band structure of single crystal surfaces on the resonant charge transfer between solid and atomic projectiles. Atoms and ions were scattered off Cu(111)- and Cu(110) surfaces under grazing incidence conditions with angles of incidence between 0.5 to 4 degrees. Projectile velocities were varied between 0.05 and 1.4 atomic units. In this regime no penetration of the projectile into the solid occurs. Instead, the projectile is reflected from the crystal surface. Therefore the charge state distribution of scattered projectiles can be investigated as a function of the incidence conditions. According to theoretical predictions this charge state distribution strongly depends on the electronic band structure of the surface. The experiments were performed on 2 different Cu surfaces. While the Cu(110) surface can be well described by the free electron gas model (also refered to as jellium model), the Cu(111) surface is characterized by a bandgap around the Fermi energy and a surface state within this bandgap. To investigate the effect of the electronic band structure on the resonant charge transfer between solids and atoms/ions, the projectiles were choosen in a way that the atomic valence state is in resonance to the bandgap. In particular the formation of negative hydrogen, fluorine, chlorine, oxygen, carbon and sulfur ions as well as the population of ground and excited states of lithium, sodium and potassium in front of Cu(110) and Cu(111) surfaces was investigated. The neutralization of highly charged (up to 21 times positively charged) xenon ions in front of a Cu(111) surface was studied as well. A significant impact of the band structure of the Cu(111) surface has been theoretically predicted for the formation of negatively charged hydrogen ions. From wave packet propagation calculations 6% negative hydrogen ions are expected in front of a Cu(111) surface, compared to 0.3% that are expected for a jellium surface of the same work function and Fermi level. The experimental result of 1% confirms a significant influence of the electronic band structure on the charge exchange. The shape of the velocity dependence of the negative ion yield, in particular the width of this dependence, implies a dominant contribution of the surface state to resonant charge exchange in compliance with the theoretical predicition. The discrepancy between experimental data and theoretical prediction is explained by taking an additional electron loss channel into account. The consideration of scattering from electrons in the solid conduction band significantly improves the agreement between experimental and theoretical data. The investigation of the neutralization of the alkali atoms lithium, sodium and potassium confirms a significant influence of the electronic band structure of the Cu(111) surface on the resonant charge transfer. Significantly higher yields of neutralized projectiles as compared to the prediction of the jellium model are found. Furthermore the parallel velocity dependences of the neutral atom yield shows maxima or shoulder structures which are qualitavely reproduced by wave packet propagation calculations. The formation of negative halogen ions shows less pronounced effects of the Cu(111) surface band structure. However, also for these projectils a significant influence of the band structure on the resonant charge transfer is experimentaly confirmed. This holds as well for the formation of negatively charged oxygen, carbon and sulfur ions. The investigation of the resonant charge transfer in front of a Cu(110)surface resulted for all ions investigated in a good agreement between experiment and theory. The experimental results presented in the framework of this thesis show, that the electronic band structure of the Cu(111) surface has a substantiell impact on the resonant charge transfer. This has been presented in a particularly convincing way by the investigation of negative hydrogen ion and neutral alkali atom formation in front of a Cu(111) surface. The cogency of the experimental results is improved by the good agreement between the experimental results achieved at the Cu(110) surface and the theoretical prediction for a jellium metal.

Diese Dissertation beschreibt einen Fortschritt in der Vorhersage elektronischer Materialeigenschaften durch quantenchemische Methoden höherer Ordnung, mit Fokus auf der Berechnung elektronischer Bandlücken innerhalb des FHI-aims-Softwarepakets. Im Rahmen dieser Arbeit werden Coupled-Cluster-Methoden durch eine neue Schnittstelle zwischen FHI-aims und dem Coupled cluster for solids (Cc4s) Code implementiert. Dabei werden zwei zentrale Herausforderungen in Equation-of-Motion-Coupled-Cluster-Rechnungen mit Einfach- und Zweifachanregungen diskutiert: Konvergenz im Bezug auf den Basissatz und auf die Systemgröße. Für die Untersuchung der Basissatzunvollständigkeit werden numerische atomzentrierte Funktionen verwendet und Extrapolationstechniken unter Verwendung von valenz-korrelationskonsistenter Basissätze untersucht. Für Effekte endlicher Systemgröße wird der Equation-of-Motion-Coupled-Cluster-Strukturfaktor hergeleitet, um die Konvergenz der elektronischen Korrelation im langreichweitigen Limes zu analysieren, wobei Konvergenzraten für Ionisationspotentiale und Elektronenaffinitäten in verschiedenen Dimensionen hergeleitet werden. Die Arbeit identifiziert einen Zusammenhang zwischen der Konvergenz der Bandlücke der Equation-of-Motion-Coupled-Cluster- und der G0W0-Methode, was eine GW-gestützte Abschätzung verbleibender systemgrößenbedingter Fehler ermöglicht. Diese Methodik wird durch Bandlückenberechnungen für Materialien wie Diamant, Borphosphid, Lithiumhydrid und Magnesiumoxid validiert, wobei für einige Materialien eine verbesserte Genauigkeit nachgewiesen wird, während verbleibende Herausforderungen für Isolatoren mit großer Bandlücke identifiziert werden. / This thesis advances the prediction of electronic properties in materials through high-level quantum chemistry methods, focusing on electronic band gap calculations within the FHI-aims software package. The work implements coupled-cluster methods through a new interface between FHI-aims and the Coupled cluster for solids (Cc4s) code. The research addresses two primary challenges in equation-of-motion coupled-cluster calculations with single and double excitations: basis set convergence and system size convergence. For basis set incompleteness, the study evaluates numeric atom-centered functions and explores extrapolation techniques using valence-correlation consistent basis sets. For finite-size effects, the equation-of-motion coupled-cluster structure factor is derived to analyze electronic correlation convergence in the long-range limit, establishing convergence rates for ionization potentials and electron affinities across different dimensions. The work identifies a correlation between finite-size convergence in equation-of-motion coupled-cluster and G0W0 methods, enabling GW-aided estimation of remaining finite-size errors. The methodology is validated through band gap calculations for materials including diamond, boron phosphide, lithium hydride, and magnesium oxide, demonstrating improved accuracy for some materials while identifying persistent challenges for wide-gap insulators.