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.

Polymorphie beschreibt die Eigenschaft vieler anorganischer und organischer Substanzen bei gleicher chemischer Zusammensetzung in mehr als einer kristallinen Struktur aufzutreten, die zu unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften der Polymorphe führen kann. Dies gewinnt an Bedeutung sobald eine spezifische kristalline Form mit definierten Eigenschaften verlangt wird. Um Kristallisationsprozesse und das Endprodukt zu kontrollieren und zu beeinflussen, sind Kenntnisse der zugrundeliegenden Kristallisationsmechanismen und -kinetiken, wie auch der Effekte von äußeren Faktoren erforderlich. In diesem Zusammenhang ermöglichen In-situ-Charakterisierungsmethoden eine detaillierte, zeitaufgelöste Beobachtung von Kristallisationsprozessen. Die Kristallisationsprozesse von fünf polymorphen Modellverbindungen, Nifedipin, Felodipin, Quinaldin, L-Glutaminsäure und ROY, wurden unter verschiedenen Bedingungen und ausgehend von verschiedenen Vorläuferphasen in situ untersucht. Neben der Kristallisation aus unterschiedlichen amorphen Phasen interessierte die Kristallisation aus der Lösung, welche insbesondere unter Levitationsbedingungen in einem Ultraschall-Levitator betrachtet wurde. Der Einfluss von Lösungsmittel, Oberfläche, relativer Luftfeuchtigkeit und Kristallisationssetup auf die Kristallisationsprozesse wurde untersucht. Röntgenbeugungsmethoden mit Synchrotron-Strahlung und Raman-Spektroskopie erlaubten besonders bei simultaner Anwendung die umfassende strukturelle Charakterisierung der Kristallisationsvorgänge mit allen auftretenden kristallinen wie auch amorphen Phasen und der Lösung in situ mit hoher Zeitauflösung. Kristallisationswege konnten nachvollzogen und der Einfluss äußerer Faktoren auf die Selektivität der Kristallisationsprozesse untersucht werden. Allgemeine Systematiken wie eine steuernde Wirkung des Lösungsmittels oder die bevorzugte Kristallisation thermodynamisch stabiler Phasen bei einer homogeneren Kristallisation lassen sich finden. / Polymorphism describes organic or inorganic materials which can occur in more than one crystalline phase with the same chemical composition. A difference in crystal structure may result in different chemical or physical properties, making polymorphism important whenever a specific form with well-defined characteristics is demanded. The need to control and manipulate the crystallization processes and particularly the final crystal product requires thorough understanding of the underlying crystallization mechanisms and kinetics, as well as the effects of external factors. In this context, in situ characterization methods permit a detailed, time-resolved investigation of crystallization processes. For five polymorphic model compounds, nifedipine, felodipine, quinaldine, L-glutamic acid and ROY, the crystallization processes were investigated in situ by applying different conditions and starting from different precursor phases. Aside from the crystallization from various amorphous phases, the crystallization from solution was also of interest. The latter was examined especially under levitation conditions using an ultrasonic levitator. Furthermore, the influence of the solvent, surface, relative humidity, and the crystallization setup on the crystallization processes was analyzed. X-Ray diffraction using synchrotron radiation and Raman spectroscopy enabled a thorough structural characterization of the crystallization processes in situ with high time resolution, especially if applied simultaneously. All the occurring crystalline and amorphous phases as well as the solution were characterized with this method. The crystallization pathways were retraced and the influence of external factors on the selectivity of the crystallization processes was elucidated. Some general characteristics like a steering effect of the solvent and the preferred crystallization of thermodynamically stable phases in more homogeneous crystallizations were identified.