In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Aspekte des Einflusses von Lokalisation, Unordnung und Polarisationsfeldern auf Elektron-Loch Zustände in Quantengräben (QWs von engl. quantum wells) aus Halbleitern mit großer Bandlücke theoretisch untersucht. Unter Verwendung eines Schwerpunktseparationsansatzes wird das Verhalten von QW Exzitonen und Biexzitonen im Grenzfall schwacher Lokalisation beschrieben. Es zeigt sich, daß die Lokalisationsenergie des Biexzitons mehr als doppelt so groß ist wie die des Exzitons. Dies wird verursacht durch ein universelles Gesetz der Lokalisation in schwachen zwei-dimensionalen Potentialen, welches lediglich durch das "Potentialvolumen" und die Masse des lokalisierten Teilchens bestimmt wird. Ein einfaches Modell des QW Biexzitons wird entwickelt, dessen Ergebnisse gut mit jenen übereinstimmen, die man mit Hilfe eines aufwendigeren numerischen Modells erhält. Der Grenzfall starker Lokalisation von QW Exzitonen und höheren Exzitonenkomplexen wird mittels einer Dichtefunktionalrechnung untersucht. Es wird gezeigt, daß Zustände bis mindestens zum X4 in den nm-großen Potentialminima lokalisieren können, die durch Phasenseparation in (In,Ga)N/GaN QWs enstehen. Es wird das Übergangsspektrum des sukzessiven Zerfalls eines lokalisierten X4 berechnet. Auf Grundlage der selbstkonsistenten Lösung von Poisson- und Schrödinger-Gleichung wird der Einfluß des Probendesigns von (In,Ga)N/GaN QW-Strukturen auf den makroskopischen Verlauf des Polarisationsfeldes in Wachstumsrichtung und somit auf optische Übergangsenergie und Oszillatorstärke systematisch untersucht. Besondere Bedeutung kommt dabei der Abschirmung der Felder durch Raumladungszonen zu. Es wird gezeigt, daß die Position des QW bezüglich einer ausgedehnten Oberflächen-Verarmungszone - die in n-dotierten, Ga-polarisierten Proben auftritt - erheblichen Einfluß auf Übergangsenergie und Oszillatorstärke hat. Durch die räumliche Variation der Polarisationsfeldstärke in dieser Verarmungszone kann das optische Übergangsspektrum eines Mehrfach-QW Schultern oder mehrere Maxima aufweisen. Indium Oberflächen-Segregation ruft eine Blauverschiebung der Übergangsenergie hervor, die bis zu einem Drittel der vom Polarisationsfeld verursachten quantum confined Stark-Verschiebung kompensiert. Diese Blauverschiebung wird von einer Verringerung des Elektron-Loch Überlapps begleitet. Die Polarisationsfelder in (In,Ga)N/GaN Mehrfach-QWs verschmieren das stufenförmige Einteilchen-Absorptionsspektrum. Durch die Aufhebung der näherungsweisen Diagonalität von Inter-Subband Übergängen und durch die Miniband-Dispersion in höheren, gekoppelten Zuständen haben diese Felder, neben dem Beitrag von Potentialfluktuationen, einen entscheidenden Einfluß auf die Form des Absorptionsspektrums. Ein in der Literatur diskutierter Mechanismus, der allein durch Polarisationsfelder eine Verbreiterung optischer Spektren hervorruft, kann nicht bestätigt werden. Unter Annahme einer unkorrelierten Zusammensetzung von (In,Ga)N und einer lateral korrelierten Grenzflächenrauhigkeit von einer Monolage in jeder Grenzfläche zeigt die spektrale Breite des Exzitonen-Schwerpunktpotentials eine Verschmälerung mit zunehmendem Feld. Diese wird verursacht durch das Eindringen der Teilchen in die binären Barrieren und durch ein vergrößertes Exzitonenvolumen. Im Fall einer langreichweitigen Grenzfächenrauhigkeit findet man eine Aufspaltung des Spektrums in einzelne Linien. / In this thesis, various aspects of the influence of localization, disorder, and polarization fields on electron-hole states in wide-gap semiconductor quantum wells (QWs) are investigated theoretically. A theoretical treatment of quantum well exciton and biexciton states in the limit of weak localization is presented, using a center-of-mass separation ansatz. It shows that the localization energy of the biexciton is more than twice as large as that of the exciton due to the universal behaviour of localization in weak two-dimensional potentials which is ruled only by the potential "volume" and the mass of the localized particle. A useful simple model of the QW biexciton wavefunction is developed which provides good agreement with the results obtained with an extensive numerical solution. The limit of strong localization of QW excitons and higher exciton complexes is investigated with a density functional calculation. It is demonstrated that states at least up to X4 may localize in nm-scale potential boxes caused by indium phase separation in (In,Ga)N/GaN QWs. The transition spectrum of the successive recombination of a localized X4 is calculated. A systematic investigation of the influence of the sample design of (In,Ga)N/GaN QW structures on optical transition energy and oscillator strength reveals the importance of space charge layers with regard to screening of polarization fields along the QW-axis. Based on a self-consistent solution of the Schrödinger-Poisson equations, the overall situation of the macroscopic spontaneous and piezoelectric polarization fields is discussed in dependence on various substantial sample parameters. It is found that the position of a QW in the sample with respect to an extended surface depletion layer - which is shown to exist in n-type Ga-face grown material - severely affects transition energy and electron-hole overlap. Due to the spatial variation of the field strength in this surface depletion layer, the optical transition spectrum of a Ga-face grown multiple-QW can display shoulders or even a multiple-peak structure. Indium surface segregation results in a blueshift of the transition energy compensating up to one third of the quantum confined Stark shift produced by the polarization field. This blueshift is accompanied by a decrease of the electron-hole overlap. Polarization fields in (In,Ga)N/GaN multiple-QWs result in a smoothing of the step-like single-particle absorption spectrum. Apart from the contribution of compositional fluctuations, the fields have significant influence on the shape of the spectrum via the abrogation of the nearly diagonality of inter-subband transitions and via the mini-band dispersion of higher coupled states in case of a periodic structure. A line broadening-mechanism due to polarization fields in (In,Ga)N/GaN QWs, as sometimes discussed in literature, could not be confirmed. Assuming uncorrelated (In,Ga)N alloy and in-plane-correlated interface roughness of one monolayer in each interface, the calculation of the spectral width of the QW exciton center-of-mass potential yields a narrowing with increasing average field. This is a result of the penetration of the carriers into the barriers and of an increasing exciton volume. In case of a long-range interface roughness, a splitting of the spectrum into individual lines can be predicted.

Polystyrene block polyethyleneimine (PS-b-PEI) copolymer prepared by combining PS and poly(2-methyl-2-oxazoline) (PMeOx) segments together through two strategies. Furthermore, PMeOx block was hydrolysis to produce PEI block which linked with PS block. Macroinitiator route is one of these two ways to prepare PS-b-PEI copolymer. Polystyrene macroinitiator or poly(2-methyl-2-oxazoline) macroinitiator prepared through Nitroxide Mediate Radical Polymerization (NMRP) or Cationic Ring Opening Polymerization (CROP) respectively. Each macroinitiator has active initiated terminal group toward another block monomer. Second strategy based on coupling of PS segment with PMeOx block through “click” coupling chemistry. Polystyrene modified with terminal azide moiety are combined with PMeOx functionalized with alkyne group via 1,3 dipolar cycloaddition reaction “click reaction”. PS-b-PMeOx was hydrolysis in alkaline medium to produce amphiphilic PS-b-PEI copolymer. A set of block copolymer with different block ratios was prepared and investigated to select suitable block copolymer for further applications. Stichiometric PS-b-PEI copolymer selected to stabilize gold nanoparticle (Au NPs) in polymer matrix. PEI segment work as reducing and stabilizing agent of gold precursor in aqueous solution. Various concentrations of gold precursor were loaded and its effect on UVVIS absorbance, particle size and particle distribution studied. In addition, reduction efficiency of PEI block was determined from XPS measurements. The thickness of Au NPs/PS-b-PEI thin film was determined with a novel model for composite system. On the other hand, Gallium nitride quantum dots (GaN QDs) stabilized in PS-b-PEI copolymer after annealing. Our amphiphilic block copolymer exhibit nice thermal stability under annealing conditions. GaN QDs prepared in narrow nano-size with fine particle distribution. Blue ray was observed as an indication to emission activity of GaN crystal. Over all, PS-b-PEI copolymer synthesized through macroinitiator and click coupling methods. It was successfully stabilized Au NPs and GaN QDs in polymer matrix with controlled particle size which can be post applied in tremendous industrial and researcher fields.

Real structure of heteroepitaxial GaN and AlGaN layers is studied by diffuse x-ray scattering. A new developed method based on Monte Carlo simulation enabling to determine densities of threading dislocations in c-plane GaN and stacking faults in a-plane GaN is presented. The results of Monte Carlo simulations are compared with ones obtained by use of other conventional techniques. The advantages and limitations of the new method are discussed in detail. The methods accuracy is estimated as about 15%. We have shown that our method is a reliable tool for threading dislocations and stacking faults densities determination.

Polystyrene block polyethyleneimine (PS-b-PEI) copolymer prepared by combining PS and poly(2-methyl-2-oxazoline) (PMeOx) segments together through two strategies. Furthermore, PMeOx block was hydrolysis to produce PEI block which linked with PS block. Macroinitiator route is one of these two ways to prepare PS-b-PEI copolymer. Polystyrene macroinitiator or poly(2-methyl-2-oxazoline) macroinitiator prepared through Nitroxide Mediate Radical Polymerization (NMRP) or Cationic Ring Opening Polymerization (CROP) respectively. Each macroinitiator has active initiated terminal group toward another block monomer. Second strategy based on coupling of PS segment with PMeOx block through “click” coupling chemistry. Polystyrene modified with terminal azide moiety are combined with PMeOx functionalized with alkyne group via 1,3 dipolar cycloaddition reaction “click reaction”. PS-b-PMeOx was hydrolysis in alkaline medium to produce amphiphilic PS-b-PEI copolymer. A set of block copolymer with different block ratios was prepared and investigated to select suitable block copolymer for further applications. Stichiometric PS-b-PEI copolymer selected to stabilize gold nanoparticle (Au NPs) in polymer matrix. PEI segment work as reducing and stabilizing agent of gold precursor in aqueous solution. Various concentrations of gold precursor were loaded and its effect on UVVIS absorbance, particle size and particle distribution studied. In addition, reduction efficiency of PEI block was determined from XPS measurements. The thickness of Au NPs/PS-b-PEI thin film was determined with a novel model for composite system. On the other hand, Gallium nitride quantum dots (GaN QDs) stabilized in PS-b-PEI copolymer after annealing. Our amphiphilic block copolymer exhibit nice thermal stability under annealing conditions. GaN QDs prepared in narrow nano-size with fine particle distribution. Blue ray was observed as an indication to emission activity of GaN crystal. Over all, PS-b-PEI copolymer synthesized through macroinitiator and click coupling methods. It was successfully stabilized Au NPs and GaN QDs in polymer matrix with controlled particle size which can be post applied in tremendous industrial and researcher fields.

Diese Arbeit befasst sich mit der Keimbildung und den Wachstumsmechanismen von GaN-Nanodrähten (NWs), die mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt wurden. Die Hauptneuheiten dieser Studie sind der intensive Gebrauch von in-situ Messmethoden und der direkte Vergleich zwischen katalysatorfreien und katalysatorinduzierten NWs. In der MBE bilden sich GaN-NWs auf Silizium ohne Katalysator. Auf Saphir dagegen wachsen NWs unter den gleichen Bedingungen nur in der Anwesenheit von Ni-Partikeln. Die Nukleationsprozesse sind für beide Ansätze fundamental verschieden. In dem katalysatorinduzierten Ansatz reagiert Ga stark mit den Ni-Keimen, deren Kristallstruktur für das Nanodraht-Wachstum entscheidend sind, während in dem katalysatorfreien Ansatz bildet N eine Zwischenschicht mit Si vor der ausgeprägten GaN-Nukleation. Mittels beider Ansätze wachsen einkristalline wurtzite GaN-NWs in Ga-polarer Richtung. Allerdings sind unter denselben Wachstumsbedingungen die katalysatorinduzierten NWs länger als die katalysatorfrei gewachsenen und enthalten viele Stapelfehler. Im Vergleich sind die katalysatorfreien größtenteils defektfrei und ihre Photolumineszenz ist viel intensiver als jene der katalysatorinduzierten NWs. Alle diese Unterschiede können auf den Katalysator zurückgefürt werden. Die Ni-Partikel sammeln die an den Nanodraht-Spitzen ankommenden Ga-Atome ef?zienter ein als die unbedeckte oberste Facette im katalysatorfreien Fall. Außerdem können Stapelfehler sowohl aus der zusätzlichen Festkörperphase des Ni-Katalysators als auch aus der Verunreinigung der NWs mit Katalysatormaterial resultieren. Solch eine Kontaminierung würde schließlich nicht-strahlende Rekombinationszentren verursachen. Somit mag die Verwendung von Katalysatorkeimen zusätzliche Möglichkeiten bieten, das Wachstum von NWs zu kontrollieren. Jedoch sind sowohl die strukturellen als auch die optischen Materialeigenschaften der katalysatorfreien NWs überlegen. / This work focuses on the nucleation and growth mechanisms of GaN nanowires (NWs) by molecular beam epitaxy (MBE). The main novelties of this study are the intensive employment of in-situ techniques and the direct comparison of self-induced and catalyst-induced NWs. On silicon substrates, GaN NWs form in MBE without the use of any external catalyst seed. On sapphire, in contrast, NWs grow under identical conditions only in the presence of Ni seeds. The processes leading to NW nucleation are fundamentally different for both approaches. In the catalyst-assisted approach, Ga strongly reacts with the catalyst Ni particles whose crystal structure and phases are decisive for the NW growth, while in the catalyst-free approach, N forms an interfacial layer with Si before the intense nucleation of GaN starts. Both approaches yield monocrystalline wurtzite GaN NWs, which grow in the Ga-polar direction. However, the catalyst-assisted NWs are longer than the catalyst-free ones after growth under identical conditions, and they contain many stacking faults. By comparison the catalyst-free NWs are largely free of defects and their photoluminescence is much more intense than the one of the catalyst-assisted NWs. All of these differences can be explained as effects of the catalyst. The seed captures Ga atoms arriving at the NW tip more efficiently than the bare top facet in the catalyst-free approach. In addition, stacking faults could result from both the presence of the additional solid phase constituted by the catalyst-particles and the contamination of the NWs by the catalyst material. Finally, such contamination would generate non-radiative recombination centers. Thus, the use of catalyst seeds may offer an additional way to control the growth of NWs, but both the structural and the optical material quality of catalyst-free NWs are superior.

The objective of this master thesis was to provide the optimization of an ion-atom beam source for the improvement of its properties. The improvement of the parameters increases the efficiency of the source during the deposition of gallium nitride ultrathin films (GaN) being important in microeletronics and optoelectronics. After optimization, the depositions of GaN ultrathin films on Si(111) 7x7 at lower temperatures (

Dichte Ensembles aus GaN-Nanodrähten können in der Molekularstrahlepitaxie mithilfe eines selbstinduzierten Prozesses sowohl auf kristallinen als auch amorphen Substraten gezüchtet werden. Aufgrund der Natur selbstgesteuerter Prozesse ist dabei die Kontrolle über viele wichtige Ensembleparameter jedoch eingeschränkt. Die Arbeit adressiert genau diese Einschränkungen bei der Kristallzucht selbstinduzierter GaN-Nanodrähte. Konkret sind das Limitierungen bezüglich der Nanodraht-Durchmesser, die Nanodraht-Anzahl-/Flächendichte, der Koaleszenzgrad sowie die maximal realisierbare Wachstumstemperatur. Für jede dieser Einschränkungen werden Lösungen präsentiert, um die jeweilige Limitierung zu umgehen oder zu verschieben. Als Resultat wurde eine neue Klasse von GaN Nanodrähten mit bisher unerreichten strukturellen und optischen Eigenschaften geschaffen. Mithilfe eines Zwei-Schritt-Ansatzes, bei dem die Wachstumstemperatur während der Nukleationsphase erhöht wurde, konnte eine verbesserte Kontrolle über die Flächendichte, den Durchmesser und den Koaleszenzgrad der GaN-Nanodraht-Ensembles erreicht werden. Darüber hinaus werden Ansätze präsentiert, um die außerordentlich lange Inkubationszeit bei hohen Wachstumstemperaturen zu minimieren und damit wesentlich höhere Wachstumstemperaturen zu ermöglichen (bis zu 905°C). Die resulierenden GaN-Nanodraht-Ensembles weisen schmale exzitonische Übergänge mit sub-meV Linienbreiten auf, vergleichbar zu denen freistehender GaN-Schichten. Abschließend wurden Nanodrähte mit Durchmessern deutlich unterhalb von 10 nm fabriziert. Mithilfe eines Zersetzungsschrittes im Ultrahochvakuum direkt im Anschluss an die Wachstumsphase wurden reguläre Nanodraht-Ensembles verdünnt. Die resultierenden ultradünnen Nanodrähte weisen dielektrisches Confinement auf. Wir zeigen eine ausgeprägte exzitonische Emission von puren GaN-Nanodrähten mit Durchmessern bis hinab zu 6 nm. / In molecular beam epitaxy, dense arrays of GaN nanowires form spontaneously on crystalline as well as amorphous substrates. Due to the nature of spontaneous formation, the control over important parameters is limited. This thesis addresses the major limitations of spontaneous nanowire formation, namely the nanowire diameter, number density, and coalescence degree but also the maximum achievable growth temperature, and presents approaches to overcome the same. Thereby, we have fabricated a new class of nanowires with unprecedented structural and optical properties. We find that a two-step growth approach, where the substrate temperature is increased during the nucleation stage, is an efficient method to gain control over the area coverage, average diameter, and coalescence degree of GaN nanowire ensembles. Furthermore, we present growth approaches to minimize the long incubation time that precedes nanowire nucleation at elevated temperatures and to thus facilitate significantly higher growth temperatures (up to 905°C). The GaN nanowire ensembles grown at so far unexplored substrate temperatures exhibit excitonic transitions with sub-meV linewidths comparable to those of state-of-the-art free-standing GaN layers grown by hydride vapor phase epitaxy. Finally, we fabricate nanowires with diameters well below 10 nm, the lower boundary given by the nucleation mechanism of spontaneously formed nanowires. Here, regular nanowire arrays are thinned in a post-growth decomposition step in ultra-high vacuum. In situ monitoring the progress of decomposition using quadrupole mass spectrometry enables a precise control over the diameter of the thinned nanowires. These ultrathin nanowires show dielectric confinement, which is potentially much stronger than quantum confinement. We demonstrate intense excitonic emission from bare GaN nanowires with diameters down to 6 nm.