L'objectif de cette thèse est l'étude de nouveaux matériaux et d'architectures innovantes pour les lasers organiques à l'état solide. Le premier axe de ce travail est consacré à la caractérisation laser d'une nouvelle petite molécule organique appelée " fvin ". L'émission stimulée dans le rouge (vers 650 nm) a été observée dans une couche pure de ce matériau, ce qui est en général impossible dans les colorants organiques en raison du phénomène de " concentration quenching ". La méthode de ruban de pompage de longueur variable (Variable Stripe Length (VSL) technique) a été utilisée pour étudier et mesurer le gain de ce matériau. L'effet laser a été démontré dans une cavité à réseaux de Bragg distribués (DBR) ainsi que sous la forme de laser aléatoire à des intensités de pompe élevées. Le deuxième axe de cette thèse est dédié au design, à la réalisation, à la caractérisation et à la modélisation d'une nouvelle architecture laser organique à cavité externe appelée VECSOL (inspirée de l'architecture traditionnelle des VECSELs inorganiques). Le milieu à gain est une couche de PMMA dopée avec un colorant (Rhodamine 640), déposée par " spin-coating " sur un miroir plan diélectrique. Le laser a été caractérisé avec deux sources de pompage de durées d'impulsion différentes (0.5 ns et 7 ns). Nous avons démontré une émission accordable (sur plus de 40 nm), un faisceau limité par la diffraction et un record d'efficacité de 57% dans une configuration optimisée. La dynamique de l'émission laser a été modélisée grâce aux équations de taux de Tang-Statz-de Mars, adaptées à la géométrie VECSOL. La cavité ouverte de l'architecture réalisée a permis, en outre, l'obtention d'une émission ultraviolette accordable grâce au doublement de fréquence intracavité dans une géométrie VECSOL modifiée.

Ces travaux de thèse se situent dans le domaine du multiplexage hyperfréquence pour les systèmes de télécommunication de Guerre Électronique. Ils s'inscrivent dans le cadre d'une étude portant sur la miniaturisation des solutions actuelles de multiplexage visant à réduire l'encombrement et donc le coût de fabrication de ce type de dispositifs Radar. L'objectif est donc de proposer une alternative aux technologies et architectures classiques de multiplexeurs qui, bien que performantes, pâtissent d'un encombrement et d'un poids prohibitifs pour les systèmes aéroportés du futur. Le multiplexage en fréquence permet un découpage d'un spectre électromagnétique en un certain nombre de bandes de fréquence (canaux) dont le nombre, la largeur et l'espacement dépendent de l'application visée. L'objectif de ces travaux est donc d'étudier la faisabilité d'un multiplexeur en technologie planaire, découpant la bande 2-18GHz en 16 canaux contigus. L'enjeu de cette étude concerne autant l'architecture globale du composant que le choix de la topologie des différents filtres qui le composent, afin de respecter un cahier des charges très contraignant en termes de performances électriques ou d'encombrement. La connexion et la cohabitation des différents filtres au sein du multiplexeur est également un paramètre critique de l'étude, et nécessite une attention particulière. Nous proposons ici un découpage en fréquence singulier impliquant l'utilisation d'une architecture originale de multiplexeur utilisant divers composants passifs tels qu'un diviseur de puissance de type Wilkinson, des duplexeurs ou encore plusieurs quadriplexeurs (banques de quatre filtres). Ces travaux ont donc été divisés en sous-blocs dont nous prouvons, pour chacun d'eux, la faisabilité en technologie planaire. Les duplexeurs utilisent une topologie originale dite " flèche " dont nous développons la synthèse et les quadriplexeurs HF sont basés sur la topologie DBR développée au laboratoire. Les quadripexeurs BF sont, quant à eux, basés sur différentes topologies large bande (interdigitée, à stubs CO ou CC). La validité de l'architecture globale proposée est également avérée. Au cours de cette thèse, divers outils d'aide à la conception des circuits hyperfréquences complexes ont été développés afin de simplifier au maximum le flot de conception classique et donc de diminuer les temps de réglage. Plusieurs réalisations et de nombreuses simulations électromagnétiques viennent étayer les résultats et confirmer l'acuité des outils utilisés.

The scope of this work is an in-depth investigation of dielectric mirror microcavities with central organic dye layers, which are preferably modified in at least one lateral dimension. The large quality factor of the planar resonator in conjunction with comparatively stable and spectrally broad emitting molecules allows for a detailed analysis of several aspects of microresonator systems. Their optical properties are analyzed both with transmission and luminescence measurements as well as in the lasing regime. The first part presents the resonant mode properties of planar and laterally structured microcavities. With the help of a high-resolution imaging micro-photoluminescence setup, working either in the spatial (near field) or vectorial (far field) regime, the polarization splitting is studied in a detuned microcavity, containing the dye 4,4'-bis[(N-carbazole)styryl]biphenyl (BSB-Cz) in a matrix of 4,4'-di(N-carbazolyl)- biphenyl (CBP). With the help of a thickness gradient, a relation between the large spectral distance of the cross-polarized states and the mode position within the stop band is investigated. In shadow-mask prepared, laterally restricted devices (5x5 µm2 square boxes), the three-dimensional confinement introduces sets of discrete modes, which experience a similar polarization splitting. The origin in this case is a different phase shift of electromagnetic waves during internal total reflection at a boundary. By using a concentration gradient planar microcavity sample of the dye 4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(4-(dimethylamino)styryl)-4H-pyran (DCM) in a tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum (Alq3) matrix, the influence of the number of emitters on the lasing characteristics is subsequently analyzed. Depending on the pumping conditions, and thus the involvement of the Förster resonant energy transfer, an optimal composition is identified. After a qualitative evaluation of the long-term stability upon various excitation energies, the attention is focussed to the modification of the stimulated emission properties of photonic boxes. The stronger field concentration and altered density of states leads to a significant improvement of the values for the coupling factor fi and the threshold levels. Furthermore, new properties arise, namely simultaneous multimode and off-axis laser emission. With an inhomogeneous excitation of the box, it is possible to selectively excite single modes above the threshold. The work ends with experimental results of metal structures as additional optical element in the organic microcavity layer. Here, the aim is is to understand the passive influence of these possible contact- devices on the lasing performance. For this purpose, the lasing is studied at an interface of an areal thin metal layer, which is incorporated in the organic layer.:List of publication Introduction Optical properties of dielectric microresonator systems Sample fabrication and characterization Resonant mode properties of dielectric mirror microcavities Lasing from laterally modified organic cavity systems Conclusion and outlook Bibliography

This dissertation presents, describes and discusses an interdisciplinary study which investigated the design and development of a language learning instructional solution to address the problem of inadequate aural skills acquisition for college ESP (English for Special Purposes) students. Specifically, it focused on the use of mobile technology to expand learning beyond the classroom. The eighteen-month process of data collection and analysis resulted in a conceptual model and design principles for a Mobile-Enabled Language Learning (MELL) solution. Mobile-Enabled Language Learning Eco-System was thus designed, developed and trialled in the real-life learning context. Through the iterative process of the design, development and evaluation of the MELL system and its components, design principles were also generated. These design recommendations were refined and reformulated in a cyclical fashion with the help of more than 100 students and ten experts. The resulting MELLES design framework encompasses guidelines addressing the essential characteristics of the desired MELL intervention as well as procedures recommended to operationalize those features. The study also resulted in a better understanding of the broader context of ESP learning using mobile devices and the role of elements of environment, ultimately contributing to real-life praxis of the Ecological Constructivist framework and the complementary approach of Design-Based Research (DBR) methodology. / 2012-06

[ES] Este trabajo tiene como objetivo principal establecer un método que permita y facilite el diseño y desarrollo de entornos interactivos para la enseñanza de una segunda lengua en la primera infancia. Para ello, a lo largo de la investigación, se estableció un análisis que desarrolló el estudio a través de cuatro pilares: el contexto educativo, los fundamentos teóricos, los sujetos de estudio y la tecnología. El análisis de las facetas concernientes al ámbito educativo varía según el contexto que se estudie. En esta investigación se tuvo como foco de estudio Colombia, donde se tuvieron en cuenta diversos aspectos relacionados con las condiciones educativas del país, los planes de gobierno, los recursos y capacitaciones docentes, así como las condiciones socioeconómicas, todo lo cual determinó los resultados de los estudios que se realizaron. Los fundamentos teóricos que se tuvieron en consideración, además de girar en torno a los factores asociados al aprendizaje y la enseñanza, se enmarcaron más concretamente en el aprendizaje del inglés como segunda lengua, para alinear este proyecto investigativo con el fortalecimiento de los focos estratégicos contemplados en la propuesta política CONPES 16-25, que busca hacer de Colombia un país más desarrollado y competitivo en el marco de varios retos, uno de los cuales es el uso de las nuevas TIC en contextos educativos que generen valor agregado. De esta forma, nuestro aporte podrá ayudar a mitigar la brecha social y económica que denota el monolingüismo, aumentando las posibilidades de tener mayores y mejores oportunidades sociales, académicas y profesionales, representando en consecuencia una importante ventaja competitiva en la estructura económica y social del país. En lo que respecta a los sujetos de estudio, se incluyó a docentes de inglés en educación preescolar y a niños de 4 a 6 años. Esta es una etapa etaria clave en la intervención dentro de la denominada "primera Infancia", en la que está comprobado que los efectos educativos de calidad que se dan en esta fase incrementan y fortalecen el desarrollo individual y social de los niños, llegando a impactar, incluso, en los sectores económicos de un país. Finalmente, el objeto de estudio reflejado a lo largo de la investigación giró en torno a la tecnología, su uso, sus tendencias y su apropiación en los entornos educativos. Con ella se han gestado múltiples cambios a nivel académico. La demanda de creación de contenidos curriculares de base tecnológica y de calidad ha aumentado y, al mismo tiempo, ha supuesto un esfuerzo por parte de docentes, investigadores, diseñadores y demás profesionales interesados en proporcionar mejores herramientas de trabajo para fortalecer el proceso de enseñanza-aprendizaje. Estos profesionales utilizan metodologías efectivas que, estudiadas en conjunto, dieron lugar a la creación de un modelo que fusionó componentes y lenguaje propio de cada profesión vinculada al proceso de creación de contenidos académicos con base tecnológica. Un resultado de la investigación fue la integración de metodologías que permitieron el diseño de una plataforma web que facilita el proceso de creación de contenidos educativos de calidad basados en la tecnología. Las metodologías que, después de un amplio estudio, se seleccionaron para diseñar el instrumento web fueron el DBR, como enfoque metodológico del diseño instruccional, el Design Thinking, como metodología que facilita el desarrollo de diseño centrado en el usuario y, por último, la metodología para la creación de Juegos Serios, cuya base pedagógica facilita la creación de recursos didácticos y educativos adecuados para los sujetos de estudio de esta investigación. El uso de esta plataforma web permitió generar los requerimientos clave para el diseño de una aplicación interactiva como propuesta tecnológica innovadora que facilita el proceso de aprendizaje de inglés como segunda lengua en la primera infancia. / [CA] Aquest treball té com a objectiu principal establir un mètode que permeta i facilite el disseny i el desenvolupament d'entorns interactius per a l'ensenyament d'una segona llengua en la primera infància. Per a això, al llarg de la investigació, es va establir una anàlisi que va vertebrar l'estudi a través de quatre pilars: el context educatiu, els fonaments teòrics, els subjectes d'estudi i la tecnologia. L'anàlisi de les facetes relatives a l'àmbit educatiu varia segons el context que s'estudie. En aquesta investigació es va tenir com a focus d'estudi Colòmbia, on es van tenir en compte diversos aspectes relacionats amb les condicions educatives del país, els plans de govern, els recursos i les capacitacions docents, així com les condicions socioeconòmiques, aspectes que van determinar els resultats dels estudis que es van realitzar. Els fonaments teòrics que es van tenir en consideració, a més de girar entorn dels factors associats a l'aprenentatge i l'ensenyament, es van emmarcar més concretament en l'aprenentatge de l'anglès com a segona llengua, per a alinear aquest projecte investigatiu amb l'enfortiment de les línies estratègiques contemplades en la proposta política CONPES 16-25, que té l'objectiu de fer de Colòmbia un país més desenvolupat i competitiu en el marc de diversos reptes, un dels quals és l'ús de les noves TIC en contextos educatius que generen valor agregat. D'aquesta forma, la nostra aportació podrà ajudar a mitigar la bretxa social i econòmica que denota el monolingüisme, i augmentaran així les possibilitats de tenir majors i millors oportunitats socials, acadèmiques i professionals, el que representarà, en conseqüència, un important avantatge competitiu en l'estructura econòmica i social del país. Pel que fa als subjectes d'estudi, es van incloure docents d'anglès en educació preescolar i xiquets i xiquetes de 4 a 6 anys. Aquesta és una etapa clau en la intervenció dins de la denominada primera Infància, en la qual està comprovat que els efectes educatius de qualitat que es donen en aquesta fase incrementen i enforteixen el desenvolupament individual i social dels infants, i arriben a impactar, fins i tot, en els sectors econòmics d'un país. Finalment, l'objecte d'estudi reflectit al llarg de la investigació va girar entorn de la tecnologia, el seu ús, les seues tendències i la seua apropiació en els entorns educatius. Amb aquesta s'han gestat múltiples canvis a nivell acadèmic. La demanda de creació de continguts curriculars de base tecnològica i de qualitat ha augmentat i, al mateix temps, ha suposat un esforç per part de docents, investigadors, dissenyadors i altres professionals interessats a proporcionar millors eines de treball per a enfortir el procés d'ensenyament-aprenentatge. Aquests professionals utilitzen metodologies efectives que, estudiades en conjunt, van donar lloc a la creació d'un model que va fusionar components i llenguatge propi de cada professió vinculada al procés de creació de continguts acadèmics amb base tecnològica. Un resultat de la investigació va ser la integració de metodologies que van permetre el disseny d'una plataforma web que facilita el procés de creació de continguts educatius de qualitat basats en la tecnologia. Les metodologies que, després d'un ampli estudi, es van seleccionar per a dissenyar l'instrument web van ser el DBR, com a enfocament metodològic del disseny instructiu, el Design Thinking, com a metodologia que facilita el desenvolupament de disseny centrat en l'usuari i, finalment, la metodologia per a la creació de Jocs Seriosos, la base pedagògica dels quals facilita la creació de recursos didàctics i educatius adequats per als subjectes d'estudi d'aquesta investigació. L'ús d'aquesta plataforma web va permetre generar els requeriments clau per al disseny d'una aplicació interactiva que va incorporar la Realitat Augmentada, com a proposta tecnològica innovadora que que facilita el procés d’aprenentatge d’anglès com a segona llengua en la primera infància. / [EN] The main objective of this research work is to establish a method that allows and facilitates the design and development of interactive environments for the teaching of a second language in early childhood. In order to meet this aim, throughout the research, an analysis was established that developed the study around four bases: the educational context, the theoretical foundations, the study subjects and technology. The analysis of the facets concerning the educational field varies according to the context being studied. In this research, the focus of the study was on Colombia, where several aspects were taken into account related to the country's educational features, government plans, teaching resources and teacher training, as well as socioeconomic conditions, all of which determined the results of the studies that were carried out. The theoretical foundations that were taken into consideration, in addition to focusing on the factors associated with learning and teaching, were framed more specifically in the learning of English as a second language, to align this research project with the strengthening of the strategic targets contemplated in the policy proposal CONPES 16-25, which aims at making Colombia a more developed and competitive country within the framework of several challenges , one of which is the use of new ICT in educational contexts that generate added value. In this way, our contribution can help mitigate the social and economic gap denoted by monolingualism, thus increasing the chances of having greater and better social, academic and professional opportunities, as well as representing an important competitive advantage in the economic and social structure of the country. Regarding the study subjects, English teachers in preschool education and children from 4 to 6 years old were included. This is a key age stage of intervention within the so-called "early childhood", in which it is proven that the quality educational effects that occur in this phase increase and strengthen the individual and social development of children, even impacting on the economic sectors of a country. Finally, the object of study reflected throughout the research revolved around technology, its use, its trends and its appropriation in educational environments. It has brought about multiple changes at the academic level. The demand for the development of technology-based and quality curricular content has increased and, at the same time, it has involved an effort on the part of teachers, researchers, designers and other professionals interested in providing better tools to strengthen the teaching-learning process. These professionals use effective methodologies that, studied together, led to the creation of a model which merged components and language from each profession linked to the process of creating technology-based academic content. One result of the research was the integration of methodologies that resulted in the design of a web platform that facilitates the process of creating quality educational content based on technology. The methodologies that were selected, after a comprehensive study, to design the web resource were DBR, a methodological approach to instructional design, "Design Thinking", a methodology that facilitates the development of user-centered design and, finally, the methodology for the creation of Serious Games, whose pedagogical basis enables the design of didactic and educational resources suitable for the subjects involved in this research. The use of this web platform allowed us to generate the key requirements for the design of an interactive application that incorporated Augmented Reality, as an innovative technological proposal that facilitates the process of learning English as a second language in early childhood. / Harris Bonet, PM. (2021). Diseño de un entorno interactivo para la enseñanza bilingüe en la primera infancia [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/179558

Students in Open Distance Learning (ODL) face a myriad of challenges including a low proficiency in English. While research has identified vocabulary as important in improving language proficiency and the pertinent role of interaction in vocabulary development, there remains a dearth of research on how to enhance vocabulary in ODL, a context which is characterised by the distance between students and the institution. In searching for an intervention that would support vocabulary development, including interaction, while taking cognisance of the distance between students and lecturers, this study explored the use of mobile learning (mlearning). Because mlearning technologies offer ubiquitous flexibility and accessibility, they were deemed fit for purpose for ODL which is established on the principles of openness, flexibility and student‐centredness. Using the design‐based research (DBR) method within a pragmatic paradigm, this study designed, implemented and evaluated mobile‐based interventions for vocabulary development. The first phase of the study involved the analysis of the problem through a literature review. The literature and theoretical framework were used to ground the second phase of DBR, which included the development of the intervention prototype in the form of a mobile‐based vocabulary development app called VocUp. The intervention was implemented, tested and refined in three iteration stages, which formed the third phase of DBR. The iterations included a VocUp only stage, followed by a WhatsApp only stage, and ended with a VocUp plus WhatsApp stage. The last phase of DBR involved a reflection and a production of artefacts and guidelines for practice in ODL. Data were collected through interviews and WhatsApp chats from students registered for a first‐year English module. The results were 1) that vocabulary should be explicitly taught, allow for rehearsal opportunities and contain assessment while acknowledging the instrumental role of interaction; 2) mobile interventions should balance the pedagogic benefits with the technological qualities; and 3) the advantages and challenges of using WhatsApp and VocUp can be successfully combined into a hybrid model of both platforms. This study’s contribution to the body to knowledge includes the newly‐designed VocUp as an artefact; a revised model of the CoI theoretical framework called MODeL as well as principles guiding the application of the MODeL in authentic ODL contexts. / English Studies / D. Litt. et Phil. (English)

In der vorliegenden Arbeit wird das Hauptaugenmerk auf die Untersuchung der Auswirkungen einer Modifikation der zugänglichen Prozessparameter auf die funktionalen Eigenschaften oxidischer Dünnfilme während der gepulsten Laserabscheidung (PLD) gelegt. Der erste Teil der Arbeit stellt die Herstellung von BaTiO3/SrTiO3-Mehrfach-Heterostrukturen auf thermisch und chemisch vorbehandelten SrTiO3-Substraten mittels gepulster Laserabscheidung (PLD) vor. Die zugängliche in-situ Wachstumskontrolle durch ein reflection high-energy electron diffraction (RHEED)-System ermöglicht es die Wachstumsprozesse in Echtzeit zu überwachen. Angestrebt wird ein stabiler zwei-dimensionaler Wachstumsmodus, der neben glatten Grenzflächen auch eine hohe Dünnfilmqualität ermöglicht. Es wird erstmals die prinzipielle Anwendbarkeit von BaTiO3/SrTiO3-Heterostrukturen als Bragg-Spiegel aufgezeigt. Für BaTiO3- sowie SrTiO3-Dünnfilme wurden die PLD-Parameter Substrattemperatur, Sauerstoffpartialdruck, Energiedichte des Lasers sowie Flussdichte der Teilchen variiert und die Auswirkungen auf die strukturellen, optischen und Oberflächeneigenschaften mittels Röntgendiffraktometrie (XRD), spektraler Ellipsometrie (SE) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) beleuchtet. Im zweiten Teil werden ZnO/MgxZn1−xO-Quantengrabenstrukturen hetero- und homoepitaktisch auf thermisch vorbehandelten a-Saphir- respektive m- und a-orientierten ZnO-Einkristallen vorgestellt. Die Realisierung eines zwei-dimensionalen „layer-by-layer“ Wachstumsmodus wird für die Quantengrabenstrukturen aufgezeigt. Die Quantengrabenbreite lässt sich aus beobachteten RHEED-Oszillationen exakt bestimmen. Ein Vergleich zwischen, mittels Photolumineszenz gemessenen Quantengrabenübergangsenergien als Funktion der Grabenbreite mit theoretisch ermittelten Werten wird vorgestellt, wobei der Unterschied zwischen polaren und nicht-polaren Strukturen mit Blick auf eine Anwendung aufgezeigt wird. Für c-orientierte ZnO-Dünnfilme wird das Wachstum im Detail untersucht und ein alternativer Abscheideprozess im so genannten Intervall PLD-Verfahren vorgestellt. Die Verifizierung der theoretischen Prognose einer ferromagnetischen Ordnung mit einer Curie-Temperatur oberhalb Raumtemperatur (RT) für kubische, Mangan stabilisierte Zirkondioxid (MnSZ)-Dünnfilme stellt den dritten Teil der Arbeit dar. Die strukturellen Eigenschaften der Dünnfilme werden mittels XRD, AFM sowie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Die Bedingungen einer erfolgreichen Stabilisierung der kubischen Kristallphase durch den Einbau von Mn wird aufgezeigt. Mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) sowie Elektronenspinresonanz (EPR) wird der Ladungszustand der, in der Zirkondioxidmatrix eingebauten, Mn-Ionen ermittelt. Die elektrischen Eigenschaftenwerden durch Strom-Spannungsmessungen(IU) sowie der Leitungstyp durch Seebeck-Effekt Messungen charakterisiert. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit werden die MnSZ Dünnfilme in verschiedenen Atmosphären thermisch behandelt und Veränderungen durch IU-Messungen aufgezeigt. Ergebnisse von optischen Untersuchungen mittels Transmissionsmessungen und KL werden präsentiert. Superconducting quantum interference device (SQUID)-Magnetometrie wird zur Charakterisierung der magnetischen Eigenschaften genutzt. Magnetische Ordnungen im Bereich zwischen 5 K ≤ T ≤ 300 K werden untersucht und der Einfluss von Defekten sowie einer thermischen Behandlung in verschiedenen Atmosphären auf die magnetischen Eigenschaften diskutiert.

In der vorliegenden Arbeit wird das Hauptaugenmerk auf die Untersuchung der Auswirkungen einer Modifikation der zugänglichen Prozessparameter auf die funktionalen Eigenschaften oxidischer Dünnfilme während der gepulsten Laserabscheidung (PLD) gelegt. Der erste Teil der Arbeit stellt die Herstellung von BaTiO3/SrTiO3-Mehrfach-Heterostrukturen auf thermisch und chemisch vorbehandelten SrTiO3-Substraten mittels gepulster Laserabscheidung (PLD) vor. Die zugängliche in-situ Wachstumskontrolle durch ein reflection high-energy electron diffraction (RHEED)-System ermöglicht es die Wachstumsprozesse in Echtzeit zu überwachen. Angestrebt wird ein stabiler zwei-dimensionaler Wachstumsmodus, der neben glatten Grenzflächen auch eine hohe Dünnfilmqualität ermöglicht. Es wird erstmals die prinzipielle Anwendbarkeit von BaTiO3/SrTiO3-Heterostrukturen als Bragg-Spiegel aufgezeigt. Für BaTiO3- sowie SrTiO3-Dünnfilme wurden die PLD-Parameter Substrattemperatur, Sauerstoffpartialdruck, Energiedichte des Lasers sowie Flussdichte der Teilchen variiert und die Auswirkungen auf die strukturellen, optischen und Oberflächeneigenschaften mittels Röntgendiffraktometrie (XRD), spektraler Ellipsometrie (SE) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) beleuchtet. Im zweiten Teil werden ZnO/MgxZn1−xO-Quantengrabenstrukturen hetero- und homoepitaktisch auf thermisch vorbehandelten a-Saphir- respektive m- und a-orientierten ZnO-Einkristallen vorgestellt. Die Realisierung eines zwei-dimensionalen „layer-by-layer“ Wachstumsmodus wird für die Quantengrabenstrukturen aufgezeigt. Die Quantengrabenbreite lässt sich aus beobachteten RHEED-Oszillationen exakt bestimmen. Ein Vergleich zwischen, mittels Photolumineszenz gemessenen Quantengrabenübergangsenergien als Funktion der Grabenbreite mit theoretisch ermittelten Werten wird vorgestellt, wobei der Unterschied zwischen polaren und nicht-polaren Strukturen mit Blick auf eine Anwendung aufgezeigt wird. Für c-orientierte ZnO-Dünnfilme wird das Wachstum im Detail untersucht und ein alternativer Abscheideprozess im so genannten Intervall PLD-Verfahren vorgestellt. Die Verifizierung der theoretischen Prognose einer ferromagnetischen Ordnung mit einer Curie-Temperatur oberhalb Raumtemperatur (RT) für kubische, Mangan stabilisierte Zirkondioxid (MnSZ)-Dünnfilme stellt den dritten Teil der Arbeit dar. Die strukturellen Eigenschaften der Dünnfilme werden mittels XRD, AFM sowie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Die Bedingungen einer erfolgreichen Stabilisierung der kubischen Kristallphase durch den Einbau von Mn wird aufgezeigt. Mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) sowie Elektronenspinresonanz (EPR) wird der Ladungszustand der, in der Zirkondioxidmatrix eingebauten, Mn-Ionen ermittelt. Die elektrischen Eigenschaftenwerden durch Strom-Spannungsmessungen(IU) sowie der Leitungstyp durch Seebeck-Effekt Messungen charakterisiert. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit werden die MnSZ Dünnfilme in verschiedenen Atmosphären thermisch behandelt und Veränderungen durch IU-Messungen aufgezeigt. Ergebnisse von optischen Untersuchungen mittels Transmissionsmessungen und KL werden präsentiert. Superconducting quantum interference device (SQUID)-Magnetometrie wird zur Charakterisierung der magnetischen Eigenschaften genutzt. Magnetische Ordnungen im Bereich zwischen 5 K ≤ T ≤ 300 K werden untersucht und der Einfluss von Defekten sowie einer thermischen Behandlung in verschiedenen Atmosphären auf die magnetischen Eigenschaften diskutiert.:Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1. Thermodynamische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.1. Konzept der Übersättigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.2. Beschreibung der Grenz- bzw. Oberfläche . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2. Keimbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.1. Thermodynamische Grundlagen der Keimbildung . . . . . .. . . . 12 2.2.2. Atomistische Beschreibung der Keimbildung . . . . . . . . . . . . . 14 2.3. Besonderheiten der Schichtbildung in Homo- und Heteroepitaxie 16 2.3.1. Homoepitaxie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.2. Heteroepitaxie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4. Wachstumskinetik in der gepulsten Laserabscheidung . . . . . . . 19 3. Experimentelle Details 21 3.1. Probenherstellung – Gepulste Laser Abscheidung (PLD) . . . . . . 21 3.1.1. Allgemeine Grundlagen der PLD . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.1.2. Reflection high-energy electron diffraction . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.1.3. PLD-Kammer mit in-situ RHEED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.1.4. PLD-Kammer ohne in-situ RHEED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2. Strukturelle und chemische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . 29 3.2.1. Röntgendiffraktometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2.2. Rasterkraftmikroskopie . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.3. Transmissionselektronenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.4. Energiedispersive Röntgenspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.5. Rutherford-Rückstreuspektrometrie und Partikel-induzierte Röntgenemission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.6. Röntgenphotoelektronenspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3. Optische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3.1. Transmissionsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3.2. Lumineszenzmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3.3. Spektroskopische Ellipsometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.4. Raman-Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.4. Magnetische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.4.1. Messungen der Magnetisierung mit einem SQUID-Magnetometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 39 3.4.2. Elektronenspinresonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.5. Elektrische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.5.1. Strom-Spannungs-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.5.2. Seebeck Effekt Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4. Die Herstellung und Charakterisierung von BaTiO3/SrTiO3-Bragg-Spiegeln mittels PLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.1. Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2. Bragg-Spiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3. Die Materialien Strontiumtitanat und Bariumtitanat . . . . . . . . . . 45 4.3.1. Kristallstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.2. Substrateigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.4. Epitaktische BaTiO3-Dünnfilme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.4.1. Heteroepitaktische BaTiO3-Dünnfilme auf SrTiO3 (001)-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.4.2. Initiale Wachstumsphasen von BaTiO3-Dünnfilmen auf SrTiO3 (001)-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4.3. Auswirkung der PLD-Abscheideparameter auf epitaktische BaTiO3-Dünnfilme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 4.4.4. Veränderung der optischen Konstanten durch die Modifikation der PLD-Abscheideparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.5. Epitaktische SrTiO3-Dünnfilmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.6. Abscheidung von BaTiO3/SrTiO3-Bragg-Spiegel . . . . . . . . . . . . . 73 4.6.1. BaTiO3/SrTiO3-Einfach–Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.6.2. BaTiO3/SrTiO3-Mehrfach–Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.6.3. BaTiO3/SrTiO3-Bragg-Spiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.6.4. Abschlussbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5. Die Herstellung und Charakterisierung von ZnO/MgxZn1−xO-Quantengräben mittels PLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.1. Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.2. Die Materialien ZnO und MgxZn1−xO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.2.1. ZnO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.2.2. MgxZn1−xO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.3. Quantengrabenstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.3.1. Exzitonen im Zinkoxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.3.2. Quantum-Confined Stark Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.4. Die Abscheidung von ZnO- und MgxZn1−xO-Dünnfilmen mittels PLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.4.1. Heteroepitaktische Abscheidung von ZnO- und MgxZn1−xO-Dünnfilmen auf a-Saphir-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.4.2. Homoepitaktische Abscheidung von ZnO- und MgxZn1−xO-Dünnfilmen auf verschiedenen ZnO-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.5. Die Herstellung von ZnO/MgxZn1−xO-Quantengrabenstrukturen auf verschiedenen Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.5.1. Heteroepitaktische Quantengrabenstrukturen auf a-Saphir-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.5.2. Anmerkungen zu homoepitaktischen Quantengrabenstrukturen abgeschieden auf c-ZnO-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 5.5.3. Homoepitaktischen Quantengrabenstrukturen abgeschieden auf nicht-polaren ZnO-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 5.5.4. Abschlussbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 6. Die Herstellung und Charakterisierung von Mangan stabilisierten Zirkondioxid als potentieller verdünnter magnetischer Halbleiter mittels PLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.1. Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.2. Theoretische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 6.2.1. Spintronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 6.2.2. Verdünnte magnetische Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.2.3. Ferromagnetische Kopplung in verdünnten magnetische Halbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 6.3. Mangan stabilisiertes Zirkondioxid als möglicher DMS . . . . . . . . 162 6.4. Das Material Zirkondioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 6.4.1. Die Phasen des Zirkondioxids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 6.5. Substrateigenschaften von (001) und (111) orientiertem Yttrium stabilisierten Zirkondioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 6.6. Untersuchungen an Mangan stabilisierten Zirkondioxid Dünnfilmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176 6.6.1. Strukturelle und chemische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . 177 6.6.2. Analyse der unterschiedlichen Phasen im Mangan stabilisierten Zirkondioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190 6.6.3. Elektrische und optische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . 203 6.6.4. Magnetische Charakterisierung von Mangan stabilisiertem Zirkondioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .210 6.6.5. Magnetische Charakterisierung von nominell undotiertem Zirkondioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221 6.6.6. MnSZ-Mehrfach-Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 6.6.7. Einfluss einer thermischen Behandlung auf die magnetischen Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227 6.6.8. Zusammenfassung der Messergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . 232 6.7. Abschlussbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 7. Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 8. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 A. Symbole und Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 B. Liste der Veröffentlichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 C. Danksagung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 D. Curriculum Vitae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .286 E. Selbstständigkeitserklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287