The modification of the radiation pattern and radiative lifetime of dye molecules in three-dimensional colloidal photonic crystals is studied, using high-resolution optical microscopy and spectroscopy. The experimental observations are compared to corresponding calculations of the local optical density of states. It can be concluded, that the fluorescence of the molecules is redistributed spectrally and spatially within the photonic crystal. / Mit Hilfe hochauflösender optischer Mikroskopie und Spektroskopie werden Änderungen der Abstrahlcharakteristik und strahlenden Lebensdauer von Farbstoffmolekülen in dreidimensionalen kolloidalen photonischen Kristallen untersucht. Die experimentellen Beobachtungen werden mit entsprechenden Berechnungen der lokalen optischen Zustandsdichte verglichen. Hieraus kann auf eine spektrale und räumliche Umverteilung der Fluoreszenz der Moleküle im photonischen Kristall geschlossen werden.

The monolithic integration of III-V semiconductors on Si substrates is a part of a long-term technological roadmap for the semiconductor industry towards More-than-Moore technologies. Despite of the different lattice constants and thermal expansion coefficients, research efforts over the last two decades have shown that III-V crystals with a high structural quality can be grown epitaxially in the form of nanowires directly on Si using CMOS-compatible (Au-free) methods. Among other III-V compounds, InxGa1-xAs is of the special interest for the use in infrared photonics and high-speed electronics due to its tunable direct bandgap and low electron effective mass, respectively. For comparison, InxGa1-xAs thin films are typically grown on lattice-matched InP substrates with a limited range of compositions at around x=0.52. The realization of InxGa1-xAs nanowires on Si, though, has been proved challenging owing to the limited In-content when the nanowires are grown Ga-catalyzed or the high density of stacking faults when the nanowires are grown catalyst-free. In this work, the use of highly lattice-mismatched GaAs/InxGa1-xAs and GaAs/InxAl1-xAs core/shell nanowires on Si(111) substrates have been studied as an alternative to InxGa1-xAs nanowires. The core/shell mismatch strain and its accommodation within the nanowires plays an important role in the growth, the structural, and the electronic properties of the nanowires. A key parameter in this work was the unusually small diameter of 20 – 25 nm of the GaAs core. First, the strain-induced bending of the nanowires during the growth of the shell by molecular beam epitaxy was investigated. It was apparent that the nanowires bend as a result of a preferential incorporation of In adatoms on one side of the nanowires. To obtain straight nanowires with symmetric shell composition and thickness around the core, it was necessary to choose relatively low growth temperatures and high growth rates that limited the surface diffusivity of In adatoms. Second, the strain accommodation in straight nanowires was investigated as a function of the shell thickness and composition using a combination of Raman scattering spectroscopy and X-ray diffraction. For a fixed shell composition of x=0.20 and small enough shell thicknesses, the strain in the shell is compressive and decreases progressively as the shell grows thicker. On the other hand, the strain in the core is tensile with hydrostatic character and increases with shell thickness. Finally, for shell thicknesses larger than 40 nm, the shell becomes strain-free, whereas the strain in the core saturates at 3.2% without any dislocations. For a fixed shell thickness of 80 nm, the strain in the core was further increased by increasing the In-content in the shell, reaching values as high as 7% for x=0.54. A plastic relaxation via misfit dislocations was observed only for the next highest In-content of x=0.70. In agreement to theoretical predictions, the tensile strain in the core resulted in a large reduction of the GaAs bandgap (as measured by photoluminescence spectroscopy), up to approximately 40% of the strain-free value. A similar reduction in electron effective mass is also expected. The transport properties of electrons inside the strained GaAs core were assessed by optical-pump terahertz-probe spectroscopy. Quite high mobility values of approximately 6100 cm2/Vs at 300 K for a carrier concentration of 9×1017 cm−3 were measured, which are the highest reported in the literature for GaAs nanowires, but also higher than the values for unstrained bulk GaAs. The importance of the results in this work is two-fold. On the one hand, strain-free InxGa1-xAs nanowire shells were grown on Si substrates with x up to 0.54 and thicknesses well beyond the critical thickness of their thin film counterparts. Such shells could potentially be employed as conduction channels in high electron mobility transistors (HEMTs) integrated in Si platforms. On the other hand, highly tensile-strained GaAs cores with electronic properties like those of InxGa1-xAs thin films were obtained. In this case, the results demonstrate, that GaAs nanowires can be suitable for photonic devices across the near-infrared range, including telecom photonics at 1.3 and potentially 1.55 μm, as well as for high-speed electronics. GaAs as a binary material is expected to be advantageous compared to InxGa1-xAs due to the absence of structural imperfections typically present in ternary alloys. Finally, to explore the potential of the core/shell nanowires as HEMTs, self-consistent Schrödinger-Poisson calculations of two different modulation-doped heterostructures were performed. In the case of a strained GaAs core overgrown by an unstrained InxGa1-xAs shell and an additional unstrained Si-doped InxAl1-xAs shell, the possibility to form a cylindrical-like two-dimensional electron gas inside the InxGa1-xAs shell was found. In the alternative case of a strained GaAs core overgrown by an unstrained Si-doped InxAl1-xAs shell, it was found that it is possible to form a quasi-one-dimensional electron gas at the center of the core. Both structures are the subject of ongoing research.:1 Introduction 1 2 Fundamentals and state-of-the-art 7 2.1 Electronic and structural properties of III-V semiconductors 7 2.2 Growth of III-V nanowires on Si 20 2.3 Core/shell heterostructure nanowires 29 2.4 Strain in epilayers and core/shell nanowires 36 2.5 Strain engineering in core/shell nanowires and its effect on band parameters 46 2.6 Modulation-doped III-V semiconductor heterostructures 56 3 Methods 61 3.1 Optical and electron microscopes 61 3.2 X-ray diffraction 64 3.3 Raman scattering spectroscopy 65 3.4 Photoluminescence spectroscopy 75 3.5 Optical-pump terahertz-probe spectroscopy and photoconductivity in semiconductors 77 3.6 Device processing 82 3.7 Semiconductor nanodevice software “nextnano” 85 3.8 MBE for crystal growth and core/shell nanowire growth 86 4 Results and discussions 91 4.1 Structural, compositional analyses of straight nanowires and coherent growth limit 91 4.2 Bent nanowires 95 4.3 Strain analyses in core/shell nanowires 97 4.3.1 Dependence of strain on shell thickness 97 4.3.2 Dependence of strain on the shell chemical composition 102 4.3.3 Dependence of strain on the core diameter 105 4.4 Strain-induced modification of electronic properties 106 4.5 Strain-enhanced electron mobility of GaAs nanowires higher than the bulk limit 114 4.6 Towards high electron mobility transistors 123 5 Conclusion and outlook 129 Bibliography 131 List of abbreviations I List of Symbols III List of publications VII List of conference contributions VIII Acknowledgements X

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.

The modification of the radiation pattern and radiative lifetime of dye molecules in three-dimensional colloidal photonic crystals is studied, using high-resolution optical microscopy and spectroscopy. The experimental observations are compared to corresponding calculations of the local optical density of states. It can be concluded, that the fluorescence of the molecules is redistributed spectrally and spatially within the photonic crystal. / Mit Hilfe hochauflösender optischer Mikroskopie und Spektroskopie werden Änderungen der Abstrahlcharakteristik und strahlenden Lebensdauer von Farbstoffmolekülen in dreidimensionalen kolloidalen photonischen Kristallen untersucht. Die experimentellen Beobachtungen werden mit entsprechenden Berechnungen der lokalen optischen Zustandsdichte verglichen. Hieraus kann auf eine spektrale und räumliche Umverteilung der Fluoreszenz der Moleküle im photonischen Kristall geschlossen werden.

Al–O monolayers embedded in ultrathin SiO₂ were shown previously to contain Al-induced acceptor states, which capture electrons from adjacent silicon wafers and generate a negative fixed charge that enables efficient Si-surface passivation. Here, we show that this surface passivation is just in part attributed to field-effect passivation, since the electrically active interface trap density Dit itself at the Si/SiO₂ interface is reduced by the presence of the acceptor states. For sufficiently thin tunnel-SiO₂ films between the Si-surface and the Al–O monolayers, Dit is reduced by more than one order of magnitude. This is attributed to an interface defect deactivation mechanism that involves the discharge of the singly-occupied dangling bonds (Pb0 defects) into the acceptor states, so that Shockley-Read-Hall-recombination is drastically reduced. We demonstrate that the combined electronic and field-effect passivation allows for minority carrier lifetimes in excess of 1 ms on n-type Si and that additional H₂-passivation is not able to improve that lifetime significantly.

A numerical model and results for the quantitative simulation of multilayer organic light emitting diode (OLED) and organic solar cell (OSC) are presented. In the model, effects like bipolar charge carrier drift and diffusion with field-dependent mobilities, trapping, dopants, indirect and direct bimolecular recombination, singlet Frenkel exciton diffusion, normal decay and quenching effects are taken into account. For an adequate description of multilayer devices with energetic barriers at interfaces between two adjacent organic layers, thermally assisted charge carrier hopping through the interface, interface recombination, and formation of interface charge transfer (CT) states have been introduced in the model. For the simulation of OSC, the generation of carrier pairs in the mixed layer or at the interface is additionally implemented. The light absorption profile is calculated from optical simulations and used as an input for the electrical simulation. The model is based on three elements: the Poisson equation, the rate equations for charge carriers and the rate equations for singlet Frenkel excitons. These equations are simultaeously solved by spatial and temporal discretisation using the appropriate boundary conditions and electrical parameters. The solution is found when a steady state is reached, as indicated by a constant value of current density. The simulation provides a detailed look into the distribution of electric field and concentration of free and trapped carriers at a particular applied voltage. For organic light emitting diodes, the numerical model helps to analyze the problems of different structures and provides deeper insight into the relevant physical mechanisms involved in device operation. Moreover, it is possible to identify technological problems for certain sets of devices. For instance, we could show that ? in contrast to literature reports - the contact between Alq3 and LiF/Al did not show ohmic behaviour for the series of devices. The role of an additional organic blocking layer between HTL and EML was presented. The explanation for the higher creation efficiency for singlet excitons in the three-layer structure is found in the separation of free holes and electrons accumulating close to the internal interface 1-Naphdata/Alq3. The numerical calculation has demonstrated the importance of controlled doping of the organic materials, which is a way to obtain efficient light emitting diodes with low operating voltage. The experimental results has been reproduced by numerical simulation for a series of OLEDs with different thicknesses of the hole transport layer and emitting layer and for doped emitting layers. The advantages and drawbacks of solar cells based on flat heterojunctions and bulk heterojunctions are analyzed. From the simulations, it can be understood why bulk-heterojunctions typically yield higher photocurrents while flat heterojunctions typically feature higher fill factors. In p-i-n ?structures, p and n are doped wide gap materials and i is a photoactive donor-acceptor blend layer using, e.g,. zinc phthalocyanine as a donor and C60 as an acceptor component. It is found that by introducing trap states, the simulation is able to reproduce the linear dependence of short circuit currents on the light intensity. The apparent light-induced shunt resistance often observed in organic solar cells can also be explained by losses due to trapping and indirect recombination of photogenerated carriers, which we consider a crucial point of our work. However, these two effects, the linear scaling of the photocurrent with light intensity and the apparent photoshunt, could also be reproduced when field-dependent geminate recombination is assumed to play a dominant role. First results that show a temperature independent short circuit photocurrent favour the model based on trap-mediated indirect recombination.

A numerical model and results for the quantitative simulation of multilayer organic light emitting diode (OLED) and organic solar cell (OSC) are presented. In the model, effects like bipolar charge carrier drift and diffusion with field-dependent mobilities, trapping, dopants, indirect and direct bimolecular recombination, singlet Frenkel exciton diffusion, normal decay and quenching effects are taken into account. For an adequate description of multilayer devices with energetic barriers at interfaces between two adjacent organic layers, thermally assisted charge carrier hopping through the interface, interface recombination, and formation of interface charge transfer (CT) states have been introduced in the model. For the simulation of OSC, the generation of carrier pairs in the mixed layer or at the interface is additionally implemented. The light absorption profile is calculated from optical simulations and used as an input for the electrical simulation. The model is based on three elements: the Poisson equation, the rate equations for charge carriers and the rate equations for singlet Frenkel excitons. These equations are simultaeously solved by spatial and temporal discretisation using the appropriate boundary conditions and electrical parameters. The solution is found when a steady state is reached, as indicated by a constant value of current density. The simulation provides a detailed look into the distribution of electric field and concentration of free and trapped carriers at a particular applied voltage. For organic light emitting diodes, the numerical model helps to analyze the problems of different structures and provides deeper insight into the relevant physical mechanisms involved in device operation. Moreover, it is possible to identify technological problems for certain sets of devices. For instance, we could show that ? in contrast to literature reports - the contact between Alq3 and LiF/Al did not show ohmic behaviour for the series of devices. The role of an additional organic blocking layer between HTL and EML was presented. The explanation for the higher creation efficiency for singlet excitons in the three-layer structure is found in the separation of free holes and electrons accumulating close to the internal interface 1-Naphdata/Alq3. The numerical calculation has demonstrated the importance of controlled doping of the organic materials, which is a way to obtain efficient light emitting diodes with low operating voltage. The experimental results has been reproduced by numerical simulation for a series of OLEDs with different thicknesses of the hole transport layer and emitting layer and for doped emitting layers. The advantages and drawbacks of solar cells based on flat heterojunctions and bulk heterojunctions are analyzed. From the simulations, it can be understood why bulk-heterojunctions typically yield higher photocurrents while flat heterojunctions typically feature higher fill factors. In p-i-n ?structures, p and n are doped wide gap materials and i is a photoactive donor-acceptor blend layer using, e.g,. zinc phthalocyanine as a donor and C60 as an acceptor component. It is found that by introducing trap states, the simulation is able to reproduce the linear dependence of short circuit currents on the light intensity. The apparent light-induced shunt resistance often observed in organic solar cells can also be explained by losses due to trapping and indirect recombination of photogenerated carriers, which we consider a crucial point of our work. However, these two effects, the linear scaling of the photocurrent with light intensity and the apparent photoshunt, could also be reproduced when field-dependent geminate recombination is assumed to play a dominant role. First results that show a temperature independent short circuit photocurrent favour the model based on trap-mediated indirect recombination.

Halbleiter aus organischen Molekülen sind aufgrund ihres hervorragenden Absorptionsverhaltens vielversprechende Funktionsmaterialien für den Einsatz in der Photovoltaik. Dank neuester Entwicklungen konnte auch der Wirkungsgrad organischer Solarzellen mit bis zu 20% zu alternativen photovoltaischen Systemen, wie zum Beispiel anorganisch-organischer Perovskit-Solarzellen, aufschließen. Im Allgemeinen werden in organischen Molekülen zunächst stark gebundene Elektron-Loch-Paare durch absorbierte Photonen angeregt. Erst nach einer Verkleinerung der Bindungsenergie lassen sich die beiden Ladungsträger effizient voneinander trennen und extrahieren. In organischen Solarzellen hat sich dafür eine heterogene Vermischung von zwei molekularen Halbleitern mit unterschiedlicher Elektronenaffinität etabliert: An der Grenzfläche zwischen den Materialphasen kommt es zu einem Elektronentransfer von Donator- zu Akzeptormolekülen. Diese schwach gebundenen Ladungstransferzustände definieren die elektrische Leistung der Solarzelle, in dem sie einen hohen Photostrom ermöglichen, gleichzeitig aber einen Spannungsverlust aufgrund der verringerten Energie der Ladungsträger verursachen. Insbesondere hat die energetische Mikroumgebung an Donator-Akzeptor-Grenzfläche einen großen Einfluss auf das makroskopisch abgefasste, elektrische Potential der gesamten organischen Solarzelle. Hier setzt diese Arbeit an, indem der Einfluss von statischer energetischer Unordnung und dynamischer Reorganisation auf den Ladungstransfer untersucht wird. Der Fokus liegt dabei auf Beobachtung organischer Solarzellen im thermischen Gleichgewicht. Mit spektroskopischen Untersuchungen des Absorptionsverhaltens sowie der Photoemission unter Injektionsbedingungen werden die energetischen Eigenschaften der Ladungstransferzustände sichtbar gemacht. Dabei werden konsequent temperaturabhängige Methoden zum Einsatz gebracht und in Verbindung zu einer exakten Bestimmung der maximalen Leerlaufspannung der Solarzellen gesetzt. Um fehlerhafte Interpretationen der vermessenen Spektren auszuschließen liegt ein Schwerpunkt auf der Überprüfung der Solarzellentemperatur anhand der elektro-optischen Reziprozitätsrelation, deren Gültigkeit für organische Solarzellen hier über einen Temperaturbereich von 175 K nachgewiesen wird. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass spektrale Merkmale, welche bislang der statischen Unordnung zugeschrieben wurden, sich allein mit dynamischer Reorganisation der molekularen Umgebung erklären lassen. Für das Design von Funktionsmaterialien bedeutet die Dominanz von dynamischen Prozessen, dass die gezielte Variation von molekularen Strukturen erfolgversprechender für die Optimierung des Ladungstransfers ist, als Eingriffe in die morphologisch bedingte Unordnung. Im Weiteren wird in dieser Arbeit der Einfluss von charakteristischen Polymerattributen auf den Ladungstransfer untersucht, sowie Modellerweiterungen für Ladungstransferzustände diskutiert, welche noch vorhandene Widersprüche zwischen Theorie und Messungen aufklären könnten.

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

Mit dem Begriff Wellenleiterquantenelektrodynamik (WQED) wird gemeinhin die Physik des quantisierten und in eindimensionalen Wellenleitern geführten Lichtes in Wechselwirkung mit einzelnen Emittern bezeichnet. In dieser Arbeit untersuche ich Effekte der WQED für einzelne Dreiniveausysteme (3NS) bzw. Paare von Zweiniveausystemen (2NS), die in den Wellenleiter eingebettet sind. Hierzu bediene ich mich hauptsächlich numerischer Methoden und betrachte die Modellsysteme im Rahmen der Drehwellennäherung. Ich untersuche die Dynamik der Streuung einzelner Photonen an einzelnen, in den Wellenleiter eingebetteten 3NS. Dabei analysiere ich den Einfluss dunkler bzw. nahezu dunkler Zustände der 3NS auf die Streuung und zeige, wie sich mit Hilfe stationärer elektrischer Treibfelder gezielt auf die Streuung einwirken lässt. Ich quantifiziere Verschränkung zwischen dem Lichtfeld im Wellenleiter und den Emittern mit Hilfe der Schmidt-Zerlegung und untersuche den Einfluss der Form der Einhüllenden eines Einzelphotonpulses auf die Ausbeute der Verschränkungserzeugung bei der Streuung des Photons an einem einzelnen Lambda-System im Wellenleiter. Hier zeigt sich, dass die Breite der Einhüllenden im k-Raum und die Emissionszeiten der beiden Übergänge des 3NS die maßgeblichen Parameter darstellen. Abschließend ergründe ich die Emissionsdynamik zweier im Abstand L in den Wellenleiter eingebetteter 2NS. Diese Dynamik wird insbesondere durch kavitätsartige und polaritonische Zustände des Systems aus Wellenleiter und Emitter ausschlaggebend beeinflusst. Bei der kollektiven Emission der 2NS treten - abhängig vom Abstand L - Sub- bzw. Superradianz auf. Dabei nimmt die Intensität dieser Effekte mit längerem Abstand L zu. Diese Eigenart lässt sich auf die Eindimensionalität des Wellenleiters zurückführen. / The field of waveguide quantum electrodynamics (WQED) deals with the physics of quantised light in one-dimensional (1D) waveguides coupled to single emitters. In this thesis, I investigate WQED effects for single three-level systems (3LS) and pairs of two-level systems (2LS), respectively, which are embedded in the waveguide. To this end, I utilise numerical techniques and consider all model systems within the rotating wave approximation. I investigate the dynamics of single-photon scattering by single, embedded 3LS. In doing so, I analyse the influence of dark and almost-dark states of the 3LS on the scattering dynamics. I also show, how stationary electrical driving fields can control the outcome of the scattering. I quantify entanglement between the waveguide''s light field and single emitters by utilising the Schmidt decomposition. I apply this formalism to a lambda-system embedded in a 1D waveguide and study the generation of entanglement by scattering single-photon pulses with different envelopes on the emitter. I show that this entanglement generation is mainly determined by the photon''s width in k-space and the 3LS''s emission times. Finally, I explore the emission dynamics of a pair of 2LS embedded by a distance L into the waveguide. These dynamics are primarily governed by bound states in the continuum and by polaritonic atom-photon bound-states. For collective emission processes of the two 2LS, sub- and superradiance appear and depend strongly on the 2LS''s distance: the effects increase for larger L. This is an exclusive property of the 1D nature of the waveguide.