Electromagnetic radiation in the frequency range between about 100 GHz and 5 THz can be used for spectroscopy and microscopy, but it is also promising for security screening and even wireless communication. In the present thesis a planar photoconducting large-area THz radiation source is presented. The device exhibits outstanding properties, in particular high THz field strength and generation efficiency and large spectral bandwidth with short THz pulse length. The THz emission is based on acceleration and deceleration of photoexcited carriers in semiconductor substrates. A metallic interdigitated structure at the surface of semi-insulating GaAs provides the electrodes of an Auston switch. In a biased structure photoexcited charge carriers are accelerated. Hence electromagnetic waves are emitted. An appropriately structured second metallization, electrically isolated from the electrodes, prevents destructive interference of the emitted waves. The structure investigated here combines several advantages of different conventional photoconducting THz sources. First, it provides high electric acceleration fields at moderate voltages owing to the small electrode separation. Second, the large active area in the mm2 range allows excitation by large optical powers of some mW. Optical excitation with near-infrared femtosecond lasers is possible with repetition rates in the GHz range. The presented results point out the excellent characteristics regarding the emitted THz field strength, average power, spectral properties, and easy handling of the interdigitated structure in comparison to various conventional emitter structures. Various modifications of the semiconductor substrate and the optimum excitation conditions were investigated. In the second part of this thesis the dynamic conductivity of GaAs/AlxGa1-xAs superlattices in an applied static electric field was investigated with time-resolved THz spectroscopy. The original goal was to explore whether the predicted effect of gain of electromagnetic radiation at THz frequencies is present in such structures. Superlattice samples were grown according to the experimental requirements, which include high specific resistance and sufficient THz transparency. The characterization of the superlattices by Fourier transform infrared spectroscopy and photoluminescence spectroscopy confirms the pronounced miniband properties of the bandstructure. Furthermore indications of Bloch oscillations were found by transport measurements. However, we could not measure a change of the dynamic conductivity when the electric field was toggled. Specific reasons for this and related experiments of other groups are discussed. / Elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich zwischen etwa 100 GHz und 5 THz wird für verschiedene Anwendungen wie Spektroskopie und Mikroskopie genutzt, kann aber auch für Sicherheitstechnik oder sogar Datenübertragung interessant sein. In der hier vorgestellten Forschungsarbeit wird eine großflächige fotoleitende THz-Strahlungsquelle beschrieben, die sich durch eine große THz-Feldstärke und große spektrale Bandbreite auszeichnet. Die THz-Emission basiert auf der Beschleunigung und Verzögerung fotogenerierter Ladungen in Halbleitersubstraten. Eine metallische Interdigitalstruktur auf der Oberfläche von semi-isolierendem GaAs bildet die Elektroden eines Fotoschalters. Ist an diese Struktur eine Spannung angeschlossen, werden optisch generierte Ladungsträger beschleunigt und strahlen elektromagnetische Wellen ab. Eine geeignet strukturierte und isolierte zweite Metallisierung verhindert destruktive Interferenzen der abgestrahlten Wellen. Die vorgeschlagene Struktur vereinigt dabei die Vorteile verschiedener herkömmlicher fotoleitender THz-Quellen. Einerseits ermöglicht der kleine Elektrodenabstand große elektrische Felder zur Beschleunigung fotogenerierter Ladungen schon bei moderaten Spannungen. Andererseits kann die große aktive Fläche von einigen mm2 mit großen optischen Leistungen im Bereich einiger mW angeregt werden. Die optische Anregung mit Nahinfrarot-Femtosekunden- Lasern kann mit Wiederholraten bis in den GHz-Bereich geschehen. Bedingt durch die Eigenschaften der Anregungspulse entstehen kurze spektral breite THz-Pulse. Die vorliegenden Ergebnisse verdeutlichen die hervorragenden Eigenschaften der Interdigitalstruktur im Vergleich zu verschiedenen herkömmlichen Geometrien bezüglich der Feldstärke der abgestrahlten Wellen, der mittleren Leistung und der spektralen Eigenschaften. Dabei ist die Struktur sehr einfach zu handhaben. Es wurden verschiedene Modifikationen des Substrates und die optimalen Bedingungen der optischen Anregung untersucht. Der zweite Teil dieser Arbeit behandelt die Erforschung der dynamische Leitfähigkeit von GaAs/AlxGa1-xAs-Übergittern in Abhängigkeit von einem elektrischen Feld mit Hilfe der zeitaufgelösten THz-Spektroskopie. Es sollte geklärt werden, ob der vorhergesagte Effekt der Verstärkung elektro-magnetischer Strahlung in solchen Strukturen möglich ist. Dazu wurden Übergitterproben gemäß den experimentellen Anforderungen hergestellt. Zu den Vorgaben gehört ein hoher spezifischer Widerstand und ausreichende Transparenz im THz-Bereich. Die Charakterisierung der Übergitter mit Fotolumineszenz- und Fourier-Transformations-IR-Spektroskopie bestätigte die ausgeprägten Minibandeigenschaften der Bandstruktur. Hinweise auf Bloch-Oszillationen wurden durch Ladungstransportmessungen gefunden. Dennoch war eine Änderung der dynamischen Leitfähigkeit beim Schalten des elektrischen Feldes nicht messbar. Gründe dafür und ähnliche Experimente anderer Gruppen werden diskutiert.

Die heutige optische Informationsverarbeitung erfordert neue Materialien, die Licht effektiv verarbeiten, steuern und speichern können. Photorefraktive (PR) Materialien sind dafür sehr interessant. In diesen Materialien entsteht bei inhomogener Beleuchtung (z.B. mit einem Intererenzmuster) über Ladungsträgergenerierung und Einfang der Ladungsträger in Fallen ein Raumladungsfeld. Dieses wird über den elektrooptischen Effekt in eine räumliche Modulation des Brechungsindex umgesetzt. Letztendlich führt somit die inhomogene Beleuchtung eines PR-Materials zu einer räumlich variierenden Änderung des Brechungsindex. Vor ca. 10 Jahren wurde entdeckt, dass auch Polymere einen PR-Effekt aufweisen können. Die Ansprechzeit dieser Materialien wird dabei wesentlich durch die Dynamik der Ladungsträger (bestimmt durch Erzeugung, Transport, Einfang in Fallen etc.) begrenzt. Bis zu Beginn dieser Arbeit war es noch nicht gelungen, einen quantitativen Zusammenhang zwischen der Ladungsträgerdynamik und der Ansprechzeit des PR-Effekts experimentell nachzuweisen. In dieser Arbeit wird ein Weg aufgezeigt, durch photophysikalische Experimente unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen alle photophysikalischen Größen experimentell zu bestimmen, die den Aufbau des Raumladungsfelds in organischen photorefraktiven Materialien bestimmen. So konnte durch Experimente unter Beleuchtung mit kurzen Einzelpulsen sowohl die Beweglichkeit der freien Ladungsträger als auch die charakteristischen Parameter flacher Fallen ermittelt werden. Zur Bestimmung der Dichte tiefer Fallen wurde die Intensitätsabhängigkeit des stationären Photostroms untersucht. Durch die analytische Lösung des bestimmenden Gleichungssystems konnte gezeigt werden, dass die Sublinearität der Intensitätsabhängigkeit des Photostroms primär mit dem Verhältnis zwischen Entleerungs- und Einfangkoeffizienten tiefer Fallen korreliert. Zur unabhängigen Bestimmung des Entleerungskoeffizienten der tiefen Fallen wurden Doppelpulsexperimente mit variabler Verzögerungszeit zwischen den Pulsen verwendet. Mit den erhaltenen Parametern konnte dann das untere Limit der zum Aufbau des Raumladungsfelds notwendigen Zeit abgeschätzt werden. Diese Werte wurden mit den gemessenen photorefraktiven Ansprechzeiten verglichen. Es zeigt sich, dass weder die Photogeneration noch der Transport der Ladungsträger die Geschwindigkeit des Aufbaus des Raumladungsfeldes limitiert. Stattdessen konnte erstmals quantitativ nachgewiesen werden, dass die Dynamik des Raumladungsfelds in den hier untersuchten PR-Materialien durch das Füllen tiefer Fallen mit photogenerierten Ladungsträgern bestimmt wird. Dabei spielt das Verhältnis zwischen dem Einfang- und dem Rekombinationskoeffizienten eine wesentliche Rolle. Weiterhin wurde die Dynamik des Aufbaus des Raumladungsfelds bei unterschiedlichen Vorbeleuchtungsbedingungen quantitativ simuliert und mit den experimentellen PR-Transienten verglichen. Die gute Übereinstimmung zwischen den simulierten und gemessenen Transienten erlaubte es abschließend, die kritischen Parameter, die die Dynamik des PR-Effekts in den untersuchten Polymeren begrenzen, zu identifizieren. / The ongoing development of information processing requires new materials that are capable of effective light modulation, processing or storage. Photorefractive (PR) materials characterized by a reversible light-induced change of the refractive index have been effectively used for different optical applications. When a photorefractive medium is inhomogeneously irradiated, using for example an interference pattern, the generation, transport and trapping of the charge carriers results in the formation of a space charge field. The spatial modulation of the space charge field is transformed through the electro-optical effect into a modulation of the refractive index.<br /> While photorefractive crystals are well known since the discovery of the PR effect in 1966, the photorefractive effect in polymers has only recently been demonstrated. The flexibility of material composition and thus its parameters along with easy processability of polymer materials essentially extends the range of possible applications of photorefractive materials. The response time of PR polymers is defined by the charge carrier dynamics including generation, transport, trapping etc. But a relation between the charge carriers dynamics and the response time of PR effect has not yet been proven experimentally. In this work a method for the experimental determination of all photo-physical parameters defining the formation of the space charge field in organic photorefractive materials has been proposed for the first time. It is based on the analysis of the photocurrent measured under different irradiation conditions such as continuous and pulse irradiation with different intensities, the variation of the pulse length, the number of pulses or the delay between pulses. Thus, the irradiation with single short pulses allowed to determine the mobility of free charge carriers as well as the characteristic parameters of shallow traps. In order to determine the density of deep traps, the intensity dependence of the steady-state photocurrent was investigated. The determining system of equations was analytically solved and it has been shown that the sublinear dependence of the photocurrent on intensity is primary correlated with the ratio of detrapping and trapping coefficients for deep traps. The detrapping coefficient of deep traps was independently determined from double-pulse experiments in which the delay between two pulses was varied. The dynamics of the space charge field formation has been numerically simulated, using the obtained photophysical parameters, and proven to coincide well with the experimentally determined dynamics of the PR effect. This allowed to relate the parameters of the individual processes participating in the formation of the space charge field to the dynamics of the PR effect in the investigated polymers. These results show that neither photogeneration nor transport of the charge carriers do limit the formation of the space charge field. It is demonstrated that in the investigated PR materials the dynamics of the space charge field is limited by the filling of deep traps with the photogenerated charge carriers.

Electromagnetic radiation in the frequency range between about 100 GHz and 5 THz can be used for spectroscopy and microscopy, but it is also promising for security screening and even wireless communication. In the present thesis a planar photoconducting large-area THz radiation source is presented. The device exhibits outstanding properties, in particular high THz field strength and generation efficiency and large spectral bandwidth with short THz pulse length. The THz emission is based on acceleration and deceleration of photoexcited carriers in semiconductor substrates. A metallic interdigitated structure at the surface of semi-insulating GaAs provides the electrodes of an Auston switch. In a biased structure photoexcited charge carriers are accelerated. Hence electromagnetic waves are emitted. An appropriately structured second metallization, electrically isolated from the electrodes, prevents destructive interference of the emitted waves. The structure investigated here combines several advantages of different conventional photoconducting THz sources. First, it provides high electric acceleration fields at moderate voltages owing to the small electrode separation. Second, the large active area in the mm2 range allows excitation by large optical powers of some mW. Optical excitation with near-infrared femtosecond lasers is possible with repetition rates in the GHz range. The presented results point out the excellent characteristics regarding the emitted THz field strength, average power, spectral properties, and easy handling of the interdigitated structure in comparison to various conventional emitter structures. Various modifications of the semiconductor substrate and the optimum excitation conditions were investigated. In the second part of this thesis the dynamic conductivity of GaAs/AlxGa1-xAs superlattices in an applied static electric field was investigated with time-resolved THz spectroscopy. The original goal was to explore whether the predicted effect of gain of electromagnetic radiation at THz frequencies is present in such structures. Superlattice samples were grown according to the experimental requirements, which include high specific resistance and sufficient THz transparency. The characterization of the superlattices by Fourier transform infrared spectroscopy and photoluminescence spectroscopy confirms the pronounced miniband properties of the bandstructure. Furthermore indications of Bloch oscillations were found by transport measurements. However, we could not measure a change of the dynamic conductivity when the electric field was toggled. Specific reasons for this and related experiments of other groups are discussed. / Elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich zwischen etwa 100 GHz und 5 THz wird für verschiedene Anwendungen wie Spektroskopie und Mikroskopie genutzt, kann aber auch für Sicherheitstechnik oder sogar Datenübertragung interessant sein. In der hier vorgestellten Forschungsarbeit wird eine großflächige fotoleitende THz-Strahlungsquelle beschrieben, die sich durch eine große THz-Feldstärke und große spektrale Bandbreite auszeichnet. Die THz-Emission basiert auf der Beschleunigung und Verzögerung fotogenerierter Ladungen in Halbleitersubstraten. Eine metallische Interdigitalstruktur auf der Oberfläche von semi-isolierendem GaAs bildet die Elektroden eines Fotoschalters. Ist an diese Struktur eine Spannung angeschlossen, werden optisch generierte Ladungsträger beschleunigt und strahlen elektromagnetische Wellen ab. Eine geeignet strukturierte und isolierte zweite Metallisierung verhindert destruktive Interferenzen der abgestrahlten Wellen. Die vorgeschlagene Struktur vereinigt dabei die Vorteile verschiedener herkömmlicher fotoleitender THz-Quellen. Einerseits ermöglicht der kleine Elektrodenabstand große elektrische Felder zur Beschleunigung fotogenerierter Ladungen schon bei moderaten Spannungen. Andererseits kann die große aktive Fläche von einigen mm2 mit großen optischen Leistungen im Bereich einiger mW angeregt werden. Die optische Anregung mit Nahinfrarot-Femtosekunden- Lasern kann mit Wiederholraten bis in den GHz-Bereich geschehen. Bedingt durch die Eigenschaften der Anregungspulse entstehen kurze spektral breite THz-Pulse. Die vorliegenden Ergebnisse verdeutlichen die hervorragenden Eigenschaften der Interdigitalstruktur im Vergleich zu verschiedenen herkömmlichen Geometrien bezüglich der Feldstärke der abgestrahlten Wellen, der mittleren Leistung und der spektralen Eigenschaften. Dabei ist die Struktur sehr einfach zu handhaben. Es wurden verschiedene Modifikationen des Substrates und die optimalen Bedingungen der optischen Anregung untersucht. Der zweite Teil dieser Arbeit behandelt die Erforschung der dynamische Leitfähigkeit von GaAs/AlxGa1-xAs-Übergittern in Abhängigkeit von einem elektrischen Feld mit Hilfe der zeitaufgelösten THz-Spektroskopie. Es sollte geklärt werden, ob der vorhergesagte Effekt der Verstärkung elektro-magnetischer Strahlung in solchen Strukturen möglich ist. Dazu wurden Übergitterproben gemäß den experimentellen Anforderungen hergestellt. Zu den Vorgaben gehört ein hoher spezifischer Widerstand und ausreichende Transparenz im THz-Bereich. Die Charakterisierung der Übergitter mit Fotolumineszenz- und Fourier-Transformations-IR-Spektroskopie bestätigte die ausgeprägten Minibandeigenschaften der Bandstruktur. Hinweise auf Bloch-Oszillationen wurden durch Ladungstransportmessungen gefunden. Dennoch war eine Änderung der dynamischen Leitfähigkeit beim Schalten des elektrischen Feldes nicht messbar. Gründe dafür und ähnliche Experimente anderer Gruppen werden diskutiert.

π-Conjugated two-dimensional covalent organic frameworks (2D COFs) are emerging as a novel class of electro-active materials for (opto-)electronic and chemiresistive sensing applications. However, understanding the intricate interplay between chemistry, structure and conductivity in π-conjugated 2D COFs remains elusive. Here, we report a detailed charac-terization for the electronic properties of two novel samples consisting of Zn- and Cu-phthalocyanine-based pyrazine-linked 2D COFs. These 2D COFs are synthesized by condensation of metal-phthalocyanine (M=Zn and Cu) and pyrene derivatives. The obtained polycrystalline-layered COFs are p-type semiconductors both with a band gap of ~1.2 eV. Mobilities up to ~5 cm²/Vs are resolved in the dc limit, which represent a lower threshold induced by charge carrier localization at crystalline grain boundaries. Hall Effect measurements (dc limit) and terahertz (THz) spectroscopy (ac limit) in combination with den-sity functional theory (DFT) calculations demonstrate that varying metal center from Cu to Zn in the phthalocyanine moiety has a negligible effect in the conductivity (~5×10⁻⁷ S/cm), charge carrier density (~10¹² cm⁻³), charge carrier scattering rate (~3×10¹³ s⁻¹), and effective mass (~2.3m₀) of majority carriers (holes). Notably, charge carrier transport is found to be aniso-tropic, with hole mobilities being practically null in-plane and finite out-of-plane for these 2D COFs.

Diese Arbeit präsentiert Untersuchungen zum Wachstum von GaAs Nanodrähten (NWs) und (In,Ga)As Hüllen mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) mit sekundärem Fokus auf den optischen Eigenschaften solcher Kern-Hülle Strukturen. Das ortsselektive Wachstum von GaAs NWs auf mit Oxidmasken beschichteten Si Substraten wird untersucht, wobei der entscheidende Einfluss der Oberflächenpreparation auf die vertikale Ausbeute von NW Feldern aufgedeckt wird. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein zweistufiger Wachstumprozess präsentiert der es ermöglicht NWs mit dünner und gerade Morphologie zu erhalten ohne die vertikale Ausbeute zu verringern. Für die detaillierte Beschreibung der NW Form wird ein Wachstumsmo- dell entwickelt, das die Einflüsse der Veränderung der Tropfen Größe während des Wachstums sowie direktes des Wachstums auf den NW Seitenwänden umfassend beschreibt. Dieses Wachstumsmodell wird benutzt für die Vorhersage der NW Form über einen großen Parameterraum um geeignete Bedingungen für die Realisierung von erwünschten NW Formen und Dimensionen zu finden. Ausgehend von diesen NW Feldern werden die optimalen Parameter für das Wachstum von (In,Ga)As Hüllen untersucht und wir zeigen, dass die Anordnung der Materialquellen im MBE System die Materialqualität entscheidend beeinflusst. Die dreidimensionale Struktur der NWs in Kombination mit der Substratrotation und der Richtungsabhängigkeit der Materialflüsse in MBE resultieren in unterschiedlichen Flusssequenzen auf der NW Seitenfacette welche die Wachstumsdynamik und infolgedessen die Punktde- fektdichte bestimmen. An Proben mit optimaler (In,Ga)As Hülle und äußerer GaAs Hülle zeigen wir, dass thermionische Emission mit anschließender nichtstrahlender Rekombination auf der Oberfläche zu einem starken thermischen Verlöschen der Lumineszenz Intensität führt, welches durch das Hinzufügen einer AlAs Barrierenhülle zur äußeren Hüllenstruktur erfolgreich unterdrückt werden kann. Abschließend wird ein Prozess präsentiert der das ex-situ Tempern von NWs bei hohen Temperaturen ermöglicht, was in der Reduzierung von Inhomogenitäten in den (In,Ga)As Hüllenquantentöpfen führt und in beispiellosen optischen Eigenschaften resultiert. / This thesis presents an investigation of the growth of GaAs nanowires (NWs) and (In,Ga)As shells by molecular beam epitaxy (MBE) with a second focus on the optical properties of these core-shell structures. The selective-area growth of GaAs NWs on Si substrates covered by an oxide mask is investigated, revealing the crucial impact of the surface preparation on the vertical yield of NW arrays. Based on these results, a two-step growth approach is presented that enables the growth of thin and untapered NWs while maintaining the high vertical yield. For a detailed quantitative description of the NW shape evolution, a growth model is derived that comprehensively describes the NW shape resulting from changes of the droplet size during elongation and direct vapour-solid growth on the NW sidewalls. This growth model is used to predict the NW shape over a large parameter space to find suitable conditions for the realization of desired NW shapes and dimensions. Using these GaAs NW arrays as templates, the optimum parameters for the growth of (In,Ga)As shells are investigated and we show that the locations of the sources in the MBE system crucially affect the material quality. Here, the three-dimensional structure of the NWs in combination with the substrate rotation and the directionality of material fluxes in MBE results in different flux sequences on the NW sidefacets that determine the growth dynamics and hence, the point defect density. For GaAs NWs with optimum (In,Ga)As shell and outer GaAs shell, we demonstrate that thermionic emission with successive nonradiative recombination at the surface leads to a strong thermal quenching of the luminescence intensity, which is succesfully suppressed by the addition of an AlAs barrier shell to the outer shell structure. Finally, a process is presented that enables the ex-situ annealing of NWs at high temperatures resulting in the reduction of alloy inhomogeneities in the (In,Ga)As shell quantum wells and small emission linewidths.