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Diese Arbeit konzentriert sich auf die Charakterisierung der elektrischen und thermoelektrischen Eigenschaften zwischen T<50 K und Raumtemperatur mittels elektrischer Transportmessungen. Für ZnGa2O4 werden zusätzlich die thermischen Eigenschaften untersucht. Für die Herstellung von elektrischen Bauelementen in der Halbleiterindustrie sind dünne epitaktische Schichten von besonderem Interesse und werden daher hier für ß−Ga2O3 systematisch studiert. Dabei wird zwischen Schichtdicken von d = 25 bis 225 nm unterschieden und die Resultate mit Volumenkristallen verglichen. Für ZnGa2O4 werden erste Untersuchungen an Einkristallen durchgeführt. Für diese Arbeit wird eine neue Messplattform entwickelt, um die elektrischen und thermoelektrischen Eigenschaften charakterisieren zu können. Die Probenprozessierung wird mittels optischer Lithographie, Magnetron-Sputtern und Lift-Off umgesetzt. Für ß−Ga2O3 wird untersucht, welchen Einfluss das Wachstum und die Schichtdicke auf die elektrischen und thermoelektrischen Eigenschaften hat. Durch nicht perfektes Wachstum der Kristalle entstehen zweidimensionale Gitterfehler wodurch die Beweglichkeit ab und der Betrag des Seebeck-Koeffizienten zunimmt. Zusätzlich ist das Wachstum schichtdickenabhängig. Dünne Schichten weisen mehr null- und zweidimensionale Defekte auf, was zu einer Abnahme der Beweglichkeit führt. Durch das Studium der Streuprozesse im ß−Ga2O3 wird eine Aufteilung des Seebeck- Koeffizienten in den thermodiffusiven und Phonon-Drag-Anteil durchgeführt. Für dünne Schichten (d<100 nm) nimmt der Phonon-Drag-Parameter bei T<150 K mit abnehmender Schichtdicke um eine Größenordnung zu, was für eine Zunahme der Phonon-Phonon- zu Elektron-Phonon-Streuzeit spricht. Erste Messungen an ZnGa2O4-Volumenmaterial zeigen, dass es sich um einen entarteten Halbleiter handelt. Der Seebeck-Koeffizient zeigt ebenfalls den Phonon-Drag-Effekt mit einem Maximum bei 60 K. Die Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur ist lambda=(22.9 ± 0.2) W/mK. / This work focuses on the characterization of the electric and thermoelectric transport properties between T<50 K and room temperature using electrical transport measurements. Furthermore the thermal transport properties of ZnGa2O4 are investigated. For the manufacturing of electrical devices in the semiconductor industry thin epitaxial films are of interest, hence they are studied extensively here for ß-Ga2O3. The film thicknesses are varied between d = 25 and 225 nm and their properties are compared to those of bulk material. For ZnGa2O4 first investigations are carried out on bulk material. For this work, a novel measurement platform is developed to perform the electric and thermoelectric characterization. The processing of the samples includes photolithography, magnetron sputtering and lift-off. The influence of the growth and film thickness of ß−Ga2O3 on the electric and thermoelectric properties is studied. Due to non-perfect growth of the crystals twodimensional defects are formed, which decrease the mobility and increase the absolute value of the Seebeck-coefficient. Additionally the growth depends on the film thickness. Very thin films exhibit more zero- and twodimensional defects, which decrease the mobility. The knowledge of the scattering mechanisms in ß−Ga2O3 allow a splitting of the Seebeck coefficient into the thermodiffusive and Phonon-Drag-part. For thin films (d<100 nm) and T<150 K the Phonon-Drag-parameter increases by an order of magnitude, which is explained by an increase of phonon-phonon- to electron-phonon-scattering times. First measurements of ZnGa2O4-bulk material show, that it is a degenerate semiconductor. The Seebeck-coefficient shows the Phonon-Drag-effect as well, with a maximum at 60 K. The thermal conductivity at room temperature is lambda= (22.9 ± 0.2) W/mK.

The interferometric cantilever displacement detection in non-contact atomic force microscopy (NC-AFM) is in fundamental aspects explored and optimized. Furthermore, the opto-mechanical interaction of the light field with the cantilever is investigated in detail. Cantilevers are harmonic oscillators that are designed to have a high sensitivity for the detection of minute external forces typically originating from tip-sample interaction. In this work, however, the high sensitivity is used for detailed studies of opto-mechanical forces due to the radiation pressure of the light interacting with the cantilever. The interferometer in the NC-AFM setup consists of an optical cavity working similar to a Fabry-Pérot interferometer in combination with a reference interference arm working similar to a Michelson interferometer combining multi-beam interference with a reference beam resulting in a complex superposition of beams forming the interferometric intensity modulation signal. The character of the interferometer can be adjusted from predominant Michelson to predominant Fabry-Pérot characteristics by the optical loss inside the cavity. A systematic approach for accurate alignment, by using 3D intensity maps and intensity-over-distance curves, as well as the implications of deficient fiber-cantilever configurations are explored and the impact of the interferometer configuration on the detection system noise floor is investigated. A new physical property, namely, the Fabry-Perot enhancement factor is introduced that is a direct measure for the light intensity interacting with the cantilever compared to the reference beam intensity reflected back inside the fiber. The quantification of the optical loss yields an exact knowledge of the amount of light interacting with the cantilever that is crucial to understand opto-mechanical effects. The resulting opto-mechanical force varies sinusoidally during the course of one oscillation cycle. It is a key result of this work that the sinusoidal modification of the cantilever restoring force can be described analogue to the restoring force of a pendulum. This results in an observable amplitude dependent frequency shift of the cantilever oscillation, allowing a calculation of the ratio of the opto-mechanical force relative to the cantilever restoring force and thus allows an in-situ measurement of the cantilever stiffness with remarkable precision. Further investigation of the cantilever oscillation yields that other characteristic properties of the oscillation are significantly modified by the opto-mechanical interaction. The observed effective fundamental mode Q-factor drops significantly while the cantilever amplitude response to a certain excitation voltage increases. A discrete numerical model describing the cantilever as a 1D linear chain of mass points is implemented, yielding that the additional opto-mechanical force results in a partial pinning of the cantilever at the edges of the interferometric fringes. Pinning efficiently shifts energy from the fundamental mode to higher modes and modes of a pinned cantilever, resulting in a complex modal structure.

Gegenstand dieser Arbeit ist die experimentelle Untersuchung der Verspannungs-Temperatur-Phasenbeziehungen in epitaktischen KxNa1-xNbO3 Dünnschichten, sowie deren Zusammenhang mit ferro- und piezoelektrischen Eigenschaften. Die präsentierten Ergebnisse ermöglichen es KxNa1-xNbO3 Dünnschichten für neuartige technologische Anwendung zu optimieren. Zunächst wird eine detaillierte strukturelle Untersuchung der ferroelektrischen Domänenstruktur in epitaktischen K0.7Na0.3NbO3 Schichten auf (110) TbScO3 vorgestellt. Eine Analyse der ferroelektrischen Domänenstruktur mittels lateral aufgelöster Piezoresponse-Kraftmikroskopie (PFM) zeigt vier Arten von Superdomänen. Durch die ergänzende Untersuchung der zweidimensionalen und dreidimensionalen Abbildung des reziproken Raumes mittels hochauflösender Röntgenbeugung (HR-XRD) wird nachgewiesen, dass dieses Domänenmuster mittels monokliner Einheitszellen in einem MC Domänenmodell beschrieben werden kann. Im Anschluss an die strukturelle Untersuchung wurden die elektromechanischen Eigenschaften der KxNa1-xNbO3 Schichten auf (110) TbScO3untersucht. Mittels Doppelstrahl-Laserinterferometrie (DBLI) wurde ein makroskopischer effektiver piezoelektrischer Koeffizient von bis zu d33,f = 23 pm/V nachgewiesen. Zudem wurden Oberflächenwellen-Experimente (SAW) durchgeführt. Diese zeigten außergewöhnlich hohe Signalstärken. Um die Temperatur der ferroelektrischen Phasenübergänge gezielt einstellen zu können, wurde der Zusammenhang zwischen epitaktischer Verspannung und der Phasenübergangstemperatur untersucht. Dazu wurden KxNa1-xNbO3 Schichten mit unterschiedlicher Verspannung gewachsen. Die Änderung der Domänenstruktur und der piezoelektrischen Eigenschaften aufgrund von Temperaturänderung wurde in-situ durch temperaturabhängige PFM, HR-XRD und DBLI Messungen untersucht. Die Untersuchung zeigte, dass die Übergangstemperatur des Übergangs von der MC- in die c-Phase mit zunehmender kompressiver Verspannung kontinuierlich um mehr als 400 °C abnahm. / The subject of this thesis is the experimental investigation of the strain-temperature-phase relations in epitaxial KxNa1-xNbO3 thin films and their connection to ferro- and piezoelectric properties. This will enable the optimization of KxNa1-xNbO3 layers for novel technological devices. First, a detailed structural investigation of the ferroelectric domain structure in epitaxial K0.7Na0.3NbO3 films on (110) TbScO3 is presented. An analysis of the ferroelectric domain structure with laterally resolved piezoresponse force microscopy (PFM) reveals four types of superdomains. By complementary two-dimensional and three-dimensional high resolution X-ray reciprocal space mapping this domain pattern is proven to be describable by an MC domain structure with monoclinic unit cells. Subsequently to the structural investigation, the electromechanical properties of KxNa1-xNbO3 layers on (110) TbScO3 were investigated. Double beam laser interferometry (DBLI) revealed a macroscopic effective piezoelectric coefficient of up to d33,f = 23 pm/V. Furthermore, surface acoustic wave (SAW) experiments were performed. They exhibited extraordinary signal intensities. In order to be able to selectively tune such phase transition temperatures, the correlation between epitaxial strain and the phase transition temperature was investigated. For this purpose, KxNa1-xNbO3 films with different compressive strain conditions were grown. The change of domain structure and piezoelectric properties upon temperature variation was investigated in-situ by temperature-dependent PFM, HR-XRD and DBLI measurements. The transition temperature between the MC- and c-phase was shown to continuously decrease by more than 400 °C with increasing compressive strain.

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