Spin resonance of a two-dimensional electron system confined in a GaN/AlGaN heterostructure grown by molecular beam epitaxy was resistively detected over a wide range of magnetic field and microwave frequency. Although the spin-orbit interaction is strong in this type of heterostructure at zero magnetic field, surprisingly the width of the detected spin resonance line was very narrow—down to 6.5 mT at 13.3 T. The spin depolarization time extracted from the resonance linewidth was estimated to be 2 ns. The electron g-factor was measured with high accuracy, resembling a value close to the free-electron value and its dependence on the magnetic field was studied.

Since the 18th-century scientists are studying diatoms, fascinated by their beauty and diversity. Their nano- and micropatterned biosilica cell walls are outstanding examples of biologically controlled mineral formation. Although the knowledge about diatom cell wall formation increased over the last 60 years, the process is still far away from being completely understood. Diatom cell walls exhibit highly interesting material properties, making them appealing to material scientists. Due to those properties, diatom cell walls are on the brink of becoming powerful tools in nanotechnology. However, the production of tailored silica structures for nanotechnology requires a much better understanding of the processes and components involved in cell wall morphogenesis. Recent studies set the focus on insoluble organic matrices as important parts of this process, suggesting that they act as templates in silica morphogenesis. Therefore, in this study, the occurrence of insoluble organic matrices and their possible silica precipitation activity was analyzed in the three diatom species T. pseudonana, T. oceanica and C. cryptica. For all three species girdle band and valve derived insoluble organic matrices could be identified. The extracted insoluble organic matrices exhibited structural features present in the corresponding biosilica cell walls. The highest similarities were found in the valve derived matrices of C. cryptica. Accessibility studies showed that the biosilica associated insoluble organic matrices of T. pseudonana were only partially accessible, arguing for an entrapment of insoluble organic matrices in the silica, rather than an attachment to the surface of the cell wall. All examined insoluble organic matrices of the three species exhibited intrinsic silica precipitation activity. The most intriguing structures were formed by the insoluble organic matrices of C. cryptica, yielding a porous silica pattern. The addition of biosilica derived soluble components or long-chain polyamines promoted this process and moreover lead to the reconstitution of biosilica-like hierarchical silica pore patterns. The generated silica structures were templated by the underlying structure of the insoluble organic matrix. The result presented in this thesis make this the first study reporting the in vitro generation of diatom biosilica-like hierarchical silica pore patterns using all natural cell wall components. It supports the hypothesis of microplates acting as templates for biosilica morphogenesis and introduces an interesting experimental setup for silica-based in vitro studies on the mechanism of pore formation in diatoms.

I. Atomare Struktur Mittels Rastertunnelmikroskopie und Beugung langsamer Elektronen wird die atomare Struktur von vizinalen Cu(111)-Oberflächen untersucht. Der mittlere Stufenabstand auf den untersuchten Oberflächen deckt einen Bereich von ca. 1.0-2.5nm ab. Auf allen diesen Oberflächen wird ein regelmäßiges Stufenarray gefunden.Es wird gezeigt, dass das System Ag/Cu(223) ein gutes Beispiel für den Effekt der Selbstorganisation auf Kristalloberflächen darstellt. Durch die Ag-Adsorption im Bereich von 0-1ML wird eine periodische Facettierung der Cu(223)-Oberfläche induziert. Die Gleichgewichtsstruktur setzt sich aus Ag-bedeckten Facetten zusammen, die mit reinen Cu-Streifen alternieren. Die Breite der Cu- und der Ag-Streifen kann in einem Bereich von 3-30nm über die Ag-Bedeckung kontinuierlich eingestellt werden. II. Elektronische Struktur Mittels winkelaufgelöster Photoelektronen-Spektroskopie mit Synchrotron-Strahlung wird der Einfluss von Stufen auf den Oberflächenzustand von vizinalen Cu(111)-Oberflächen untersucht. Veränderungen bzgl. der Bindungsenergie werden im Rahmen eines eindimensionalen Kronig-Penny-Modells interpretiert. Als Ursache für das Kippen der Ausbreitungsebene bei einer kritischen Terrassenbreite (~1.7nm) wird die Überlagerung des Oberflächenzustands mit Volumenzuständen und dem damit verbundenen Übergang zur Oberflächenresonanz diskutiert. Bei dem System Ag/Cu(223) wird der Oberflächenzustand innerhalb der Cu-Streifen zum einen durch die Ag-Streifen lateral begrenzt, zum anderen ändert sich der mittlere Stufenabstand innerhalb der Cu-Streifen. Die hierbei gewonnenen Ergebnisse können im Vergleich mit den Ergebnissen diskutiert werden, die an den sauberen vizinalen Oberflächen gewonnen wurden. Mit größer werdender Bedeckung bildet sich ein neuer Zustand, dessen Ursprung in den Ag-Streifen liegt. Die beiden Zustände können in ihrer energetischen Lage und in ihrem Dispersionsverhalten unterschieden werden.

Das Ende der 90er Jahre neu entstandene Crystal Barrel-Experiment am Bonner Elektronenbeschleuniger ELSA, kurz CB-ELSA-Experiment, dient hauptsächlich dem Studium der Photoproduktion am Proton bei Strahlimpulsen zwischen 0.8 GeV/c und 3.2 GeV/c. Ziel dieses Experimentes ist es, neue Erkenntnisse über das Spektrum der leichten Baryonen zu gewinnen und auch einige wichtige Beiträge für ein besseres Verständnis des Spektrums der leichten Mesonen zu liefern. Die Besonderheit dieses Experimentes liegt in der Topologie der Detektoren. Das Herzstück bildet hierbei das Crystal Barrel-Kalorimeter, das unter Zuhilfenahme weiterer Detektoren die vollständige Erfassung von Ereignissen mit neutralen Mesonen über einen Raumwinkel von nahezu 4[pi] erlaubt. Die vorliegende Arbeit befasst sich zum einen mit dem Aufbau des Flüssig-Wasserstoff-Targets, für dessen Anpassung an die hohen Ansprüche des Experimentes eine umfangreiche Entwicklungsarbeit erforderlich war. Zum anderen bildet den Hauptteil der Arbeit die Untersuchung der photoinduzierten Reaktionen [gamma]proton nach proton[pi]0[pi]0 und [gamma]proton nach proton[pi]0[eta] bei einem Strahlimpuls unpolarisierter Elektronen von 2.6 GeV/c. Beim Studium dieser Reaktionen zeigen sich Hinweise auf missing resonances, die sequentiell über verschiedene Baryonenresonanzen zerfallen. Darüber hinaus gibt es deutliche Evidenzen für die f<sub>0</sub>(980)- und a<sub>0</sub>(980)-Photoproduktion, deren weitergehende Untersuchungen wichtige Beiträge zur Klärung des bis heute noch nicht verstandenen skalaren Mesonennonetts liefern könnten.

In this thesis, we present a detailed investigation of the electronic properties of particular transition-metal dichalcogenides. Applying electron-energy loss spectroscopy, the connection between the negative plasmon dispersion of tantalum diselenide and the occurrence of a charge-density wave state (CDW) in this compound as well as related materials is observed. Our studies include doping experiments with alkali metal addition altering the charge density of the compounds. This is known to suppress the CDW. We show that it further changes the plasmon dispersion from negative to positive slope. To estimate the doping rate of the investigated tantalum diselenide samples, a density functional theory approach is introduced, giving reliable results for a quantitative analysis of our findings. We refer to a theoretical model to describe the connection of the charge ordering and the plasmon dynamics. Investigations of the non-CDW compound niobium disulfide give further insights into the proposed interaction. Experimental results are further evaluated by a Kramers-Kronig-analysis. A structural analysis, by means of elastic electron scattering, shows the CDW to be suppressed upon doping, giving space for an emerging superstructure related to the introduced K atoms. / In der vorliegenden Arbeit wird eine detaillierte Untersuchung der elektronischen Eigenschaften von ausgewählten Übergangsmetall-Dichalcogeniden präsentiert. Unter Anwendung von Elektronenenergieverlust-Spektroskopie wird die Verbindung der negativen Plasmomendispersion in Tantaldiselenid zum Auftreten eines Ladungsdichtewelle-Zustands (CDW) in diesem und in verwandten Materialien untersucht. Die Untersuchungen schließen Dotierungsexperimente mit dem Zusatz von Alkalimetallen ein, die die Ladungsdichte der Proben beeinflussen. Einerseits unterdrückt dies die CDW. Es wird außerdem gezeigt, dass sich der Anstieg der Plasmonendispersion von negativ zu positiv ändert. Ein Dichtefunktional-Theorie-Zugang zur Abschätzung der Dotierungsraten der untersuchten Tantaldiselenid-Proben wird genutzt, um verlässliche Ergebnisse für die quantitative Analyse unserer Messungen zu erhalten. Ein theoretisches Modell wird einbezogen, welches die Verbindung der Ladungsordung zur kollektiven Anregung der Ladungsdichte beschreibt, Untersuchungen der nicht-CDW Substanz Niobdisulfid geben weitere Einblicke in die Verbindung der beiden Phänomene. Die experimentellen Resultate werden weiterhin mit einer Kramers-Kronig-Analyse ausgewertet. Strukturelle Untersuchungen mit elastischer Elektronenstreuung zeigen, wie die CDW unterdrückt wird und einer auftauchenden Überstruktur, verursacht von den interkalierten K-Atomen, Raum gibt.

Der Betrieb eines Freien Elektronen Lasers (FEL), bei dem die spontan emittierte Undulatorstrahlung ueber Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl selbst verstaerkt wird, setzt eine praezise Ausrichtung des Elektronenstrahls mit dem Photonenstrahl voraus. Um den Ueberlapp von Elektronen-und Photonenstrahl zu gewaehrleisten, wurde ein neuartiger Typ von Wellenleiter-Strahllagemonitor entwickelt, der in eine Vakuumkammer des Undulators des FELs der TESLA Test Facility (TTF) integriert ist. Vier um das Strahlrohr verteilte Wellenleiter koppeln ueber schmale Schlitze einen Bruchteil jenes elektromagnetischen Feldes aus, welches den Strahl begleitet. Die induzierten Signale haengen von der transversalen Strahlposition und der Strahlintensitaet ab. Mit vier Schlitz-Wellenleiter Paaren laesst sich ein lineares Signal ableiten, anhand dessen die Position des Elektronenstrahls bestimmt werden kann. Die induzierten Signale werden mittels eines stegbelasteten Wellenleiters in die erste Stufe eines bei 12 GHz arbeitenden Empfaengers zugefuehrt. Die vorliegende Arbeit beschreibt Design, Tests und Implementierung dieses neuartigen Typs von Strahllagemonitor. / The operation of a free electron laser working in the Self Amplified Spontaneous Emission mode (SASE FEL) requires the electron trajectory to be aligned with very high precision in overlap with the photon beam. In order to ensure this overlap, one module of the SASE FEL undulator at the TESLA Test Facility (TTF) is equipped with a new type of waveguide beam position monitor (BPM). Four waveguides are arranged symmetrically around the beam pipe, each channel couples through a small slot to the electromagnetic beam field. The induced signal depends on the beam intensity and on the transverse beam position in terms of beam--to--slot distance. With four slot--waveguide combinations a linear position sensitive signal can be achieved, which is independent of the beam intensity. The signals transduced by the slots are transferred by ridged waveguides through an impedance matching stage into a narrowband receiver tuned to 12 GHz. The present thesis describes design, tests, and implementation of this new type of BPM.

The calculation of the electron–phonon coupling from first principles is computationally very challenging and remains mostly out of reach for systems with a large number of atoms. Semi-empirical methods, like density functional tight binding (DFTB), provide a framework for obtaining quantitative results at moderate computational costs. Herein, we present a new method based on the DFTB approach for computing electron–phonon couplings and relaxation times. It interfaces with PHONOPY for vibrational modes and DFTB+ to calculate transport properties. We derive the electron–phonon coupling within a non-orthogonal tight-binding framework and apply them to graphene as a test case.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der streuenden, infraroten Rasternahfeldmikroskopie (engl. s-SNIM) in Kombination mit dem Freie-Elektronen Laser (FEL) am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Der FEL ist eine intensive,schmalbandige Strahlungsquelle, welche vom mittleren bis ferninfraroten Spektralbereich durchstimmbar ist (5 meV bis 250 meV). Die s-SNIM Technik ermöglicht Infrarotmikroskopie- und spektroskopie mit einer wellenlängenunabhängigen räumlichen Auflösung von etwa 10nm. Der erste Ergebnisteil demonstriert die Erweiterung eines FEL-basierten s- SNIM hinsichtlich der Möglichkeit, bei tiefen Temperaturen bis 5K messen zu können. So verdeutlichen wir die Funktionalität unseres Tieftemperatur-s-SNIM anhand verschiedener Proben wie Au, strukturiertem Si/SiO2 sowie Gallium-Vanadium-Sulfid (GaV4S8). Das letztgenannte Material erregt momentan ein hohes wissenschaftliches Interesse, da es sogenannte Skyrmionen des Néel-Typs – periodische angeordnete Spinwirbel – enthält. GaV4S8 hat einen strukturellen Phasenübergang bei T = 42K und beinhaltet bei niedrigeren Temperaturen ferroelektrische Domänen, die wir unter anderem mittels s-SNIM abbilden können. Hierbei beobachten wir einen beträchtlichen Einfluss der Infrarotstrahlung auf die Domänenstruktur. Dies nutzen wir, um den lokalen Hitzeeintrag der Infrarotstrahlung lokal unter der s-SNIM Sonde zu quantifizieren. Der zweite Teil der Ergebnisse beinhaltet s-SNIM Messungen an hochwertigen Halbleiter-Nanodrähten (ND), welche mittels Molekularstrahlepitaxie gewachsen wurden. Derartige ND sind, unter anderem aufgrund ihrer hohen Ladungsträgermobilität, vielversprechende Komponenten für schnelle optoelektronische Nanoelemente der Zukunft. So untersuchen wir beispielsweise hochdotierte GaAs/InGaAs Kern/Schale ND, bei denen wir – unter Verwendung eines Dauerstrich CO2 Lasers – eine spektral scharfe plasmonische Resonanz bei etwa 125 meV beobachten. Betrachten wir selbige ND mittels intensiver, gepulster FEL-Strahlung, ist eine signifikante Rotverschiebung zu Energien kleiner als 100 meV sowie eine Verbreiterung der Resonanz festzustellen. Dieses nichtlineare Verhalten wird zurückgeführt auf eine starke Erhitzung des Elektronengases unter dem Einfluss der intensiven FEL-Pulse. Unsere Erkenntnisse zeigen dahingehend die Möglichkeiten auf, Nichtgleichgewichtszustände im s-SNIM gezielt zu induzieren und zu beinflussen. Abgesehen von den Messungen der Nichtlinearität ist die Herstellung und Charakterisierung von ND-Querschnitten – sowohl der genannten homogen dotierten, als auch modulationsdotierten– Gegenstand des zweiten Ergebniskapitels.:Abstract iii Zusammenfassung v 1 Introduction 1 2 Fundamentals 3 2.1 Scanning probe techniques 3 2.1.1 Atomic force microscopy 4 2.1.2 Piezoresponse force microscopy 8 2.1.3 Kelvin-probe force microscopy 9 2.2 Infrared nanospectroscopy 10 2.2.1 The diffraction limit 10 2.2.2 Scattering scanning near-field infrared microscopy 11 2.2.3 Point-dipole model 12 2.2.4 Signal detection 17 2.2.5 Higher harmonic demodulation and contrast 19 2.2.6 Advantages and limitations of s-SNIM 22 2.3 Infrared light sources 24 2.3.1 Carbon dioxide laser 24 2.3.2 Free-electron laser 26 3 Infrared nanospectroscopy at cryogenic temperatures 31 3.1 Introduction 31 3.2 Samples 33 3.3 Experimental details 36 3.3.1 Low-temperature atomic force microscopy 36 3.3.2 Optical setup 38 3.3.3 Low-temperature scattering scanning near-field infrared microscopy 39 3.3.4 Measurement modes and data acquisition 42 3.4 Results and discussion 44 3.4.1 Performance and IR heating calibration 44 3.4.2 s-SNIM study of gallium vanadium sulfide 49 3.5 Conclusion 51 4 Infrared nanospectroscopy on semiconductor nanowires 53 4.1 Introduction 53 4.2 Samples 55 4.2.1 GaAs/InGaAs core/shell nanowires 55 4.2.2 Modulation doped nanowires 56 4.2.3 Nanowire cross sections 57 4.2.4 Infrared response of doped nanowires 59 4.3 Experimental details 61 4.3.1 Room-temperature atomic force microscopy 61 4.3.2 Room-temperature scattering scanning near-field infrared microscopy 63 4.3.3 Properties of the free-electron laser pulses 65 4.4 Results and discussion 68 4.4.1 GaAs/InGaAs core/shell nanowires 68 4.4.2 Nanowire cross sections 75 4.5 Conclusion 79 5 Summary and outlook 81 A Citation metrics 85 B Additional nanospectroscopic studies 87 B.1 Silicon carbide nanoparticle probes 87 B.2 Individual impurities in Si 91 B.3 Surface phonon polaritons in moybdenum disulfide 96 C Derivation of the nonparabolic effective mass and density of states 99 C.1 Effective mass 99 C.2 Density of states 100 D Comparison of self-homodyne and pseudo-heterodyne detection 103 Bibliography 105 List of Abbreviations 125 List of Symbols 132 List of Publications 133 Acknowledgments 137 Versicherung 139 / This PhD thesis concentrates on scattering scanning near-field infrared microscopy (s-SNIM) which utilizes the radiation from the free-electron laser (FEL) at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. The FEL is an intense, narrow-band radiation source, tunable from the mid- to far-infrared spectral range (5 meV to 250 meV). The s-SNIM technique enables infrared microscopy and spectroscopy with a wavelength-independent spatial resolution of about 10nm. The first part demonstrates the extension of s-SNIM at the FEL towards cryogenic temperatures as low as 5K. To this end, we show the functionality of our low-temperature s-SNIM apparatus on different samples such as Au, structured Si/SiO2, as well as the multiferroic material gallium vanadium sulfide (GaV4S8). The latter material recently attracted a lot of interest since it hosts a Néel-type skyrmion lattice – a periodic array of spin vortices. Below T = 42K, GaV4S8 undergoes a structural phase transition and then forms ferroelectric domains, which we can map out by low-tempererature s-SNIM. Notably, we found a strong impact on the ferroelectric domains upon infrared irradiation, which we further utilize to calibrate the local heat contribution of the focused infrared beam beneath the s-SNIM probe. The second part of this thesis contains comprehensive s-SNIM investigations of high-quality semiconductor nanowires (NWs) grown by molecular beam epitaxy. Such NWs are promising building blocks for fast opto-)electronic nanodevices, amongst others due to their high carrier mobility. We have examined highly doped GaAs/InGaAs core/shell NWs and observed a strong and spectrally sharp plasmonic resonance at about 125 meV, using a continuous wave CO2 laser for probing. If we probe the same NWs utilizing the intense, pulsed FEL radiation, we observe a pronounced redshift to energies less than 100 meV and a broading of the plasmonic response. This nonlinear response is most likely induced by heating of the electron gas upon irradiation by the strong FEL pulses. Our observations open up the possibility to actively induce and observe non-equilibrium states in s-SNIM directly by the mid-infrared beam. Beside the nonlinear effect, we prepared and measured cross sections of both homogeneously-doped and modulation-doped core/shell NWs.:Abstract iii Zusammenfassung v 1 Introduction 1 2 Fundamentals 3 2.1 Scanning probe techniques 3 2.1.1 Atomic force microscopy 4 2.1.2 Piezoresponse force microscopy 8 2.1.3 Kelvin-probe force microscopy 9 2.2 Infrared nanospectroscopy 10 2.2.1 The diffraction limit 10 2.2.2 Scattering scanning near-field infrared microscopy 11 2.2.3 Point-dipole model 12 2.2.4 Signal detection 17 2.2.5 Higher harmonic demodulation and contrast 19 2.2.6 Advantages and limitations of s-SNIM 22 2.3 Infrared light sources 24 2.3.1 Carbon dioxide laser 24 2.3.2 Free-electron laser 26 3 Infrared nanospectroscopy at cryogenic temperatures 31 3.1 Introduction 31 3.2 Samples 33 3.3 Experimental details 36 3.3.1 Low-temperature atomic force microscopy 36 3.3.2 Optical setup 38 3.3.3 Low-temperature scattering scanning near-field infrared microscopy 39 3.3.4 Measurement modes and data acquisition 42 3.4 Results and discussion 44 3.4.1 Performance and IR heating calibration 44 3.4.2 s-SNIM study of gallium vanadium sulfide 49 3.5 Conclusion 51 4 Infrared nanospectroscopy on semiconductor nanowires 53 4.1 Introduction 53 4.2 Samples 55 4.2.1 GaAs/InGaAs core/shell nanowires 55 4.2.2 Modulation doped nanowires 56 4.2.3 Nanowire cross sections 57 4.2.4 Infrared response of doped nanowires 59 4.3 Experimental details 61 4.3.1 Room-temperature atomic force microscopy 61 4.3.2 Room-temperature scattering scanning near-field infrared microscopy 63 4.3.3 Properties of the free-electron laser pulses 65 4.4 Results and discussion 68 4.4.1 GaAs/InGaAs core/shell nanowires 68 4.4.2 Nanowire cross sections 75 4.5 Conclusion 79 5 Summary and outlook 81 A Citation metrics 85 B Additional nanospectroscopic studies 87 B.1 Silicon carbide nanoparticle probes 87 B.2 Individual impurities in Si 91 B.3 Surface phonon polaritons in moybdenum disulfide 96 C Derivation of the nonparabolic effective mass and density of states 99 C.1 Effective mass 99 C.2 Density of states 100 D Comparison of self-homodyne and pseudo-heterodyne detection 103 Bibliography 105 List of Abbreviations 125 List of Symbols 132 List of Publications 133 Acknowledgments 137 Versicherung 139

All across physics research, incoherent and coherent light sources are extensively utilized. Especially highly brilliant X-ray sources such as third generation synchrotrons or free-electron lasers have become an invaluable tool enabling experimental techniques that are unique to these kinds of light sources. But these sources have developed to large scale facilities and a demand in compact laboratory scale sources providing radiation of similar quality arises nowadays. This thesis focuses on Traveling-Wave Thomson-Scattering (TWTS) which allows for the realization of ultra-compact, inherently synchronized and highly brilliant light sources. The TWTS geometry provides optical undulators, through which electrons pass and thereby emit radiation, with hundreds to thousands of undulator periods by utilizing pulse-front tilted lasers pulses from high peak-power laser systems. TWTS can realize incoherent radiation sources with orders of magnitude higher photon yield than established head-on Thomson sources. Moreover, optical free-electron lasers (OFELs) can be realized with TWTS if state-of-the-art technology in electron accelerators and laser systems is utilized. Tilting the laser pulse front with respect to the wavefront by half of this interaction angle optimizes electron and laser pulse overlap by compensating the spatial offset between electrons and the laser pulse-front at the beginning of the interaction when the electrons are far from the laser pulse axis. The laser pulse-front tilt ensures continuous overlap between electrons and laser pulse while the electrons cross the laser pulse cross-sectional area. Thus the interaction distance can be controlled in TWTS by the laser pulse width rather than laser pulse duration. Utilizing wide, petawatt class laser pulses allows realizing thousands of optical undulator periods. This thesis will show that TWTS OFELs emitting ultraviolet radiation are realizable today with existing technology for electron accelerators and laser systems. The requirements on electron bunch and laser pulse quality of these ultraviolet TWTS OFELs are discussed in detail as well as the corresponding requirements of TWTS OFELs emitting in the soft and hard X-ray range. These requirements are derived from scaling laws which stem from a self-consistent analytic description of the electron bunch and radiation field dynamics in TWTS OFELs presented within this thesis. It is shown that these dynamics in TWTS OFELs are qualitatively equivalent to the electron bunch and radiation field dynamics of standard free-electron lasers which analytically proves the applicability of TWTS for the realization of an optical free-electron laser. Furthermore, experimental setup strategies to generate the pulse-front tilted TWTS laser pulses are presented and designs of experimental setups for the above examples are discussed. The presented setup strategies provide dispersion compensation, required due to angular dispersion of the laser pulse, which is especially relevant when building compact, high-yield hard X-ray TWTS sources in large interaction angle setups. An example of such an enhanced Thomson source by TWTS, which provides orders of magnitude higher spectral photon density than a comparable head-on interaction geometry, is presented, too. / Inkohärente und kohärente Lichtquellen werden in allen Feldern der physikalischen Forschung intensiv eingesetzt. Im Besonderen ermöglichen hoch-brilliante Röntgenquellen, wie Synchrotrone der dritten Generation und Freie-Elektronen Laser, einzigartige Experimentiertechniken wodurch diese zu unverzichtbaren Werkzeugen wurden. Sie sind allerdings auch im Umfang zu Großforschungseinrichtungen herangewachsen. Um den hohen Bedarf an hoch-brillianten Lichtquellen zu decken, besteht daher die Notwendigkeit neuartige und kompakte Quellen zu entwickeln welche auf dem Maßstab eines Labors realisierbar sind. Diese Dissertation widmet sich der Traveling-Wave Thomsonstreuung (TWTS) welche die Realisierung ultra-kompakter, intrinsisch synchronisierbarer und hoch-brillianter Röntgenquellen ermöglicht. TWTS ist eine Methode der Streuung von Laserpulsen an relativistischen Elektronen. Dabei durchquert ein Elektronenpuls mit nahezu Lichtgeschwindigkeit einen Laserpuls. Während der Durchquerung beginnen die Elektronen im Feld des Laserpulses zu oszillieren wobei sie Strahlung emittieren. Die ausgesandte Strahlung besitzt eine deutlich kürzere Wellenlänge als das Laserfeld aufgrund der hohen Elektronengeschwindigkeit und der damit verbundenen großen Dopplerverschiebung. Das besondere an TWTS ist, dass Elektronen- und Laserpropagationsrichtung einen Winkel einschließen sowie pulsfrontverkippte Hochleistungslaserpulse eingesetzt werden. Dadurch können um Größenordnungen längere Interaktionsdistanzen als in herkömmlichen frontalen Thomsonstreuungsanordnungen erreicht werden. TWTS ermöglicht dadurch die Realisierung optischer Freie-Elektronen Laser (OFEL) und inkohärenter Strahlungsquellen mit einer um Größenordnungen erhöhten Photonenausbeute gegenüber Thomsonstreuungsquellen in frontalen Interaktionsanordungen. Werden modernste Elektronenbeschleuniger und Lasersysteme genutzt, dann ist der Betrieb optischer Freie-Elektronen Laser bereits heute mit TWTS möglich. Das wird in der Dissertation am Beispiel eines Vakuumultraviolettstrahlung emittierenden TWTS OFEL gezeigt. Dessen Anforderungen an die Qualität der Elektronen- und Laserpulse werden im Detail in der Arbeit besprochen sowie weitere Beispiele weicher und harter Röntgenstrahlung emittierender TWTS OFEL präsentiert. Diese Anforderungen werden anhand von Skalierungsvorschriften ermittelt welche aus einer selbstkonsistenten, 1.5 dimensionalen Theorie zur Wechselwirkung zwischen Elektronen und Laserfeld in TWTS abgeleitet sind. Sowohl die Theorie zur Wechselwirkung als auch die Ableitung der Skalierungsvorschriften sind Teile dieser Dissertation. Eine wichtige Erkenntnis der Theorie ist die qualitative Äquivalenz von Elektronen- und Strahlungsfeldbewegungsgleichungen in TWTS zu denen herkömmlicher Freie-Elektronen Laser. Das beweist analytisch die Möglichkeit zur Realisierung eines OFEL mit TWTS. Einen weiteren wichtigen Teil dieser Dissertation bildet die Arbeit zur Generierung der Laserpulse mit verkippter Pulsfront. Optische Aufbauten zur Verkippung der Laserpulsfront werden vorgestellt und für einige der präsentierten TWTS OFEL ausführlich dargelegt. Die Aufbauten verkippen nicht nur die Laserpulsfront sondern gewähren gleichzeitig Kontrolle über die Laserpulsdispersionen. Dadurch kann während der gesamten Interaktionen eine ausreichend hohe Qualität des Laserfeldes sichergestellt werden, was für TWTS OFEL und inkohärente TWTS Lichtquellen mit großem Interaktionswinkel unbedingt notwendig ist. Ein Beispiel einer inkohärenten TWTS Lichtquelle wird ebenfalls präsentiert. Diese emittiert Strahlung mit einer um Größenordnungen höheren spektrale Photonendichte als eine herkömmliche Thomsonquelle in einer frontalen Streuanordnung mit vergleichbaren Laser- und Elektronenpulsen.

Im Hinblick auf das immense Potential von Diamant als Material für die Mikroelektronik wurden im Rahmen dieser Arbeit undotierte und dotierte Diamantfilme mittels chemischer Gasphasenabscheidung auf Silizium präpariert und anschließend auf ihre elektronischen Eigenschaften hin untersucht. Für Letzteres wurde hauptsächlich die Elektronen-Energieverlustspektroskopie in Transmission verwendet. In situ Gasphasendotierung oder Ionenimplantation wurde zur Dotierung der Filme mit Bor, Lithium oder Phosphor eingesetzt. Bei der Ionenimplantation wurde aufgrund der Erzeugung von Strahlenschäden generell eine Erhöhung des sp2-Anteils beobachtet: Letzterer konnte jedoch im Falle der Bordotierung durch eine, den Implantationsprozeß folgende, Hochtemperaturtemperung wieder deutlich vermindert werden. Für die in situ Dotierung mit Bor wurde eine Verringerung des sp2-Gehaltes mit steigender Dotierkonzentration gefunden. Für den Film mit der höchsten Borkonzentration konnte auch die B1s Absorptionskante untersucht werden. Sie gibt Hinweise auf den überwiegenden Einbau der Boratome in einer tetragonalen Orientierung. Das hiermit verbundene Vorhandensein von Akzeptoren führt zu elektronischen Anregungen im Energiebereich der Bandlücke, welche mittels Infrarotspektroskopie und EELS nachgewiesen werden konnten. Aus den EELS Messungen lassen sich Akzeptorkonzentrationen berechnen, welche wiederum den hohen Anteil an tetraedrisch eingebauten Boratomen bestätigen. Desweiteren untersucht wurden, als interessante Materialklasse mit weitreichendem technologischem Potential, undotierte und stickstoffdotierte, diamantartige amorphe Kohlenstoffilme und hierbei insbesondere die Abhängigkeit der elektronischen und optischen Eigenschaften von der Ionenenergie und dem Stickstoffpartialdruck während der Filmpräparation. Die Plasmonenergien, Massendichten, sp3-Anteile und die optischen Bandlücken der Filme wurden quantitativ bestimmt, wobei das jeweilige Maximum bei einer Ionenenergie von 100 eV gefunden wurde. Alle eben genannten Größen verringern sich kontinuierlich mit zunehmendem Stickstoffanteil. Eine Kramers-Kronig Analyse der Verlustspektren gibt Zugriff auf den Real- und Imaginärteil der dielektrischen Funktion und damit auf das Spektrum der Einteilchenanregungen. Die Hybridisierung der Kohlenstoff- und der Stickstoffatome wurde detailliert aus den jeweiligen 1s Absorptionskanten bestimmt. Weiterhin wurde Diamant als Modellsystem eines Festkörpers mit rein kovalenten Bindungen untersucht, insbesondere die Verlustfunktion von Diamant entlang mehrerer Hochsymmetriekristallrichtungen über einen großen Energie- und Impulsbereich. Aus den EELS Messungen erschließt sich unmittelbar die stark anisotrope Plasmonendispersion von Diamant. Aus dem Vergleich der experimentellen Spektren mit ab initio LDA Rechnungen, die sowohl Kristallokalfeldeffekte als auch Austausch- und Korrelationseffekte beinhalten, lassen sich direkt Rückschlüsse auf den Einfluß der verschiedenen Effekte ziehen. Schon im optischen Limit, aber umso mehr mit steigendem Impulsübertrag q, wird eine Überlagerung der kollektiven Plasmonanregung mit Einteilchenanregungen im Energiebereich des Plasmons beobachtet, woraus eine Kopplung zwischen beiden Arten von Anregungen resultiert. Abgesehen vom deutlichen Einfluß der Bandstruktur auf die Plasmonendispersion läßt die überaus inhomogene Elektronenverteilung von Diamant auf nicht zuvernachlässigende Kristallokalfeldeffekte schließen. Der Vergleich zwischen experimentellen und berechneten Spektren zeigt deutlich, wie die Kristallokalfeldeffekte in der Tat mit steigendem Impulsübertrag an Gewicht zunehmen und die Struktur der Verlustfunktion mitbestimmen. / In the context of the immense potential of diamond as a material for use in the microelectronics industry, in this thesis pristine and doped diamond films have been deposited on silicon using chemical vapour deposition. Subsequently their electronic properties have been investigated using mainly electron energy-loss spectroscopy. Doping of the films with boron, lithium or phosphorous was carried out either via in-situ gas phase doping during film growth or using ion implantation. Upon ion implantation an increase of the carbon content with sp2 hybridisation has generally been found due to ion beam induced damage. In the case of boron doping it was possible to significantly reduce this sp2-contribution using a high temperature anneal. For the in-situ doping with boron, upon increasing doping concentration a decrease of the sp2-contribution was found. For the sample with the highest boron content the boron 1s absorption edge could also be investigated, providing evidence for the preferential incorporation of the boron atoms into tetrahedrally co-ordinated sites. This boron incorporation leads to the existence of electronic excitations in the energy range of the band gap, which could be observed using both infrared and electron energy-loss spectroscopy. From the electron energy-loss measurements it was possible to calculate acceptor concentrations which were consistent with the large amount of tetrahedrally co-ordinated boron atoms. A second theme in this thesis involved the study of pristine and nitrogen doped diamond-like amorphous carbon films, which are an interesting material class with far-reaching technological potential. Here the focus of the research concerned the dependency of the electronic and optical properties of the films upon the ion energy and the nitrogen partial pressure applied during the film preparation. The plasmon energies, mass densities, sp3 contribution and the optical band gaps of the samples were determined quantitatively, whereby the maximum in all these quantities was found to occur for ion energies of 100 eV. Furthermore, all of these characteristics were found to decrease continually with increasing nitrogen content. A Kramers-Kronig analysis of the loss spectra enabled the derivation of the real and imaginary parts of the dielectric function and with this of the complete spectrum of single particle excitations. The hybridization between the carbon and nitrogen atoms was also studied in detail from the analysis of the respective 1s absorption edges. Furthermore this thesis deals with the investigation of diamond as a model system for solids with pure covalent bonds. In particular, the loss function of diamond was measured along different high symmetry directions over a wide range of energy and momentum. Firstly, the EELS measurements showed directly the strongly anisotropic nature of the plasmon dispersion in diamond. Secondly, by the comparison of the experimental spectra with ab initio LDA-based calculations that include crystal local field effects as well as exchange and correlation contributions, conclusions can be drawn as to the influence of these quantities. In the optical limit, but even more so with increasing momentum transfer q, a superposition of the collective plasmon excitation and the single particle excitations in the energy range of the plasmon is observed. This energetic proximity results in a coupling between both types of excitations. Apart from the distinct influence of the bandstructure on the plasmon dispersion, the considerably inhomogeneous electron distribution of diamond would lead one to expect significant crystal local field effects in this system. The comparison between the experimental and the calculated spectra shows explicitly that the crystal local field effects increase with increasing momentum transfer and play an important role in defining the structure of the loss function.