Diese Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung von lichtemittierenden Tunnelkontakten. Eine an diese Kontakte angelegte Spannung bewirkt einen Tunnelstrom. Die tunnelnden Elektronen regen wiederum Oberflächenplasmonen an, welche durch Streuung als Licht ins Fernfeld abgestrahlt werden. Oberflächenplasmonen sind Oszillationen der Elektronendichte an Metalloberflächen. Sie werden durch eine elektromagnetische Welle, welche an die Oberfläche gebunden ist und sich an der Grenzfläche entlang ausbreiten kann, beschrieben. Die Anregung dieser Oberflächenwellen wird in Experimenten meist durch Lichtquellen wie Lasern realisiert. Es ist jedoch auch möglich, Oberflächenplasmonen durch geladene Teilchen zu erzeugen. Diese Arbeit setzt sich mit dem Anregen von Oberflächenplasmonen durch inelastisches Elektronentunneln auseinander. Es werden hierfür Metall-Isolator-Metall- (MIM) und Metall-Isolator-Halbleiter-Tunnelkontakte (MIS) hergestellt und charakterisiert. Ein angeregtes Oberflächenplasmon kann durch Streuung als Photon abgestrahlt werden. Dieses Licht wird im Rahmen dieser Arbeit genutzt, um die ablaufenden Prozesse zu analysieren. In den Untersuchungen gelang es, die Tunnelkontakte so herzustellen, dass sich ein fester Tunnelstrom einstellt. Durch Optimierung der Präparation und Materialwahl wurde weiterhin eine zeitlich stabile Lichtemission erzielt. Mittels der Kombination von Siliciumwafern mit monokristallinen Goldplättchen, konnten die Stabilität und die optischen Eigenschaften des emittierten Lichts optimiert werden. Darüber hinaus wurde ein hoher Polarisationsgrad erreicht, der mit amorphen Goldelektroden nicht möglich war. Die atomar flachen Goldplättchen führen weiterhin zur Unterdrückung von ungewünschter Plasmonenstreuung, welche auf Oberflächenrauheit zurückzuführen ist. Ebenso konnte gezeigt werden, dass in einer strukturierten Metallelektrode lokalisierte Oberflächenplasmonen angeregt werden. Hierdurch verändern sich charakteristische spektrale Eigenschaften des abgestrahlten Lichts. Die gewonnenen Erkenntnisse können dafür genutzt werden, extrem kleine Plasmonenquellen zu realisieren, welche sich direkt mit anderen plasmonischen Bauelementen, wie Wellenleitern, auf Chip-Niveau kombinieren lassen. Ebenso stellen die lichtemittierenden Tunnelkontakte robuste und schnelle elektro-optische Koppler dar.:Zusammenfassung 7 Abstract 8 Abkürzungen 9 1 Einleitung 11 2 Theorie 15 2.1 Elektrische Eigenschaften von Tunnelkontakten 15 2.2 Optische Eigenschaften von Tunnelkontakten 21 2.2.1 Elektrodynamische Beschreibung und Dispersionsrelation von Oberflächenplasmonen 21 2.2.2 Plasmonenanregung 24 2.2.3 Feldverteilung und Dispersionsrelation in Tunnelkontakten 25 3 Experimentelle Methoden 31 3.1 Probenherstellung 31 3.1.1 Präparation der Substrate 31 3.1.2 Monokristalline Goldflakes 32 3.1.3 Beschichtung 35 3.1.4 Photolithographie 38 3.1.5 Interferenzlithographie 40 3.1.6 Focussed Ion Beam Milling 45 3.2 Elektrische Charakterisierung 47 3.3 Optische Charakterisierung 48 3.3.1 Invertiertes optisches Mikroskop: Axiovert 200 48 3.3.2 Abbildung von Bildebene und Brennebene 50 3.3.3 Spektroskopie 51 3.3.4 Spektraler Messbereich und Transferfunktion 52 4 Al-Al2O3-Au Tunnelkontakte 57 4.1 Aufbau 57 4.2 Elektrische Eigenschaften 58 4.2.1 Stabilität und Schaltbarkeit 62 4.3 Optische Eigenschaften 65 4.3.1 Spektrale Eigenschaften 67 4.3.2 Emissionszentren 71 4.4 Morphologische Veränderungen 73 4.5 Zusammenfassung 76 5 Si-SiO2-Au Tunnelkontakte 79 5.1 Aufbau 79 5.2 Elektrische Eigenschaften 80 5.2.1 Ohmscher Kontakt zu Silicium 81 5.2.2 Einfluss der Dotierung 83 5.2.3 Einfluss des Isolatormaterials 85 5.2.4 Stabilität 86 5.3 Optische Eigenschaften 89 5.3.1 Spektrale Eigenschaften 90 5.3.2 Abstrahlcharakteristik und -mechanismus 92 5.3.3 Emission unterhalb des Quantenlimits 95 5.3.4 Emissionszentren 97 5.3.5 Stabilität der Emission 103 5.3.6 Strukturierte Tunnelkontakte 104 5.4 Zusammenfassung 114 6 Monokristalline Goldflakes 117 6.1 Besonderheiten der Goldflakes 117 6.2 Aufbau 120 6.3 Optische Eigenschaften 122 6.3.1 Spektrale Eigenschaften 125 6.3.2 Vergleich zu Si-SiO2-Au Tunnelkontakten 126 6.4 Tunnelkontakte mit strukturierten Flakes 128 6.5 Zusammenfassung 133 7 Zusammenfassung und Ausblick 135 Literatur 145 / This thesis deals with the fabrication and characterization of light emitting tunnel junctions. A voltage applied to these structures causes a tunneling current. The tunneling electrons in turn excite surface plasmons, which are scattered into photons that are emitted into the far field. Surface plasmon resonances are the collective oscillation of the electron density at a metal interface. Associated with them is an electromagnetic wave which is bound to the interface and can propagate along it. The excitation of these surface waves in experiments is often achieved by lightsources like lasers. It is, however, also possible to generate surface plasmons by charged particles. This work deals with the excitation of surface plasmons by inelastic electron tunneling. To investigate this, metal-insulator-metal (MIM) and metal-insulator-semiconductor (MIS) tunnel junctions are produced and characterized. The excited surface plasmons can be scattered and emitted as photons. This light is used to study the underlying processes. It was possible to produce the tunnel junctions in such a way that a stable tunnel current is achieved. By optimizing the preparation and choice of materials, a continous light emission without fluctuations was achieved. By combining silicon wafers with monocrystalline gold platelets, the stability and optical properties of the emitted light was optimized. Moreover, a high degree of polarization was achieved, which was not possible with amorphous gold electrodes. The atomically flat gold platelets further lead to the suppression of unwanted plasmon scattering, which is caused by surface roughness. It has also been shown that localized surface plasmons are excited in a structured metal electrode, which changes characteristic spectral properties of the emitted light. The knowledge gained can be used to realize extremely small plasmon sources, which can be combined directly with other plasmonic components, such as waveguides, on the chip level. Likewise, the light-emitting tunnel junctions are robust and fast electro-optical couplers.:Zusammenfassung 7 Abstract 8 Abkürzungen 9 1 Einleitung 11 2 Theorie 15 2.1 Elektrische Eigenschaften von Tunnelkontakten 15 2.2 Optische Eigenschaften von Tunnelkontakten 21 2.2.1 Elektrodynamische Beschreibung und Dispersionsrelation von Oberflächenplasmonen 21 2.2.2 Plasmonenanregung 24 2.2.3 Feldverteilung und Dispersionsrelation in Tunnelkontakten 25 3 Experimentelle Methoden 31 3.1 Probenherstellung 31 3.1.1 Präparation der Substrate 31 3.1.2 Monokristalline Goldflakes 32 3.1.3 Beschichtung 35 3.1.4 Photolithographie 38 3.1.5 Interferenzlithographie 40 3.1.6 Focussed Ion Beam Milling 45 3.2 Elektrische Charakterisierung 47 3.3 Optische Charakterisierung 48 3.3.1 Invertiertes optisches Mikroskop: Axiovert 200 48 3.3.2 Abbildung von Bildebene und Brennebene 50 3.3.3 Spektroskopie 51 3.3.4 Spektraler Messbereich und Transferfunktion 52 4 Al-Al2O3-Au Tunnelkontakte 57 4.1 Aufbau 57 4.2 Elektrische Eigenschaften 58 4.2.1 Stabilität und Schaltbarkeit 62 4.3 Optische Eigenschaften 65 4.3.1 Spektrale Eigenschaften 67 4.3.2 Emissionszentren 71 4.4 Morphologische Veränderungen 73 4.5 Zusammenfassung 76 5 Si-SiO2-Au Tunnelkontakte 79 5.1 Aufbau 79 5.2 Elektrische Eigenschaften 80 5.2.1 Ohmscher Kontakt zu Silicium 81 5.2.2 Einfluss der Dotierung 83 5.2.3 Einfluss des Isolatormaterials 85 5.2.4 Stabilität 86 5.3 Optische Eigenschaften 89 5.3.1 Spektrale Eigenschaften 90 5.3.2 Abstrahlcharakteristik und -mechanismus 92 5.3.3 Emission unterhalb des Quantenlimits 95 5.3.4 Emissionszentren 97 5.3.5 Stabilität der Emission 103 5.3.6 Strukturierte Tunnelkontakte 104 5.4 Zusammenfassung 114 6 Monokristalline Goldflakes 117 6.1 Besonderheiten der Goldflakes 117 6.2 Aufbau 120 6.3 Optische Eigenschaften 122 6.3.1 Spektrale Eigenschaften 125 6.3.2 Vergleich zu Si-SiO2-Au Tunnelkontakten 126 6.4 Tunnelkontakte mit strukturierten Flakes 128 6.5 Zusammenfassung 133 7 Zusammenfassung und Ausblick 135 Literatur 145

In dieser Arbeit wird der Catastrophic Optical Damage (COD) zeitaufgelöst untersucht um die beteiligten physikalischen Mechanismen zu identifizieren. Der COD Prozess konnte zeitlich in drei Phasen unterteilt werden, die Alterung, der thermische Runaway (selbst verstärkende Rückkopplung) und das Sekundärschadenswachstum. Die erste Phase konnte durch eine neu eingeführte Art der beschleunigten Bauteilalterung auf den Nanosekunden-Bereich reduziert werden. Die Rolle des Laser-Lichtfelds als Energiequelle des COD-Prozesses wurde experimentell bestätigt. Die genutzten thermographischen Techniken erlaubten eine in-situ Verfolgung des Defektwachstums. Diese direkte Messung der Ausbreitung, die Modellierung des Wärmeflusses und eine kristallographische Materialanalyse zeigen, dass das Material, welches von der Defekt-Front passiert wurde, innerhalb von Nanosekunden zu substanziell tieferen Temperaturen zurückkehrt. Verschiedene experimentelle Ansätze bestätigen das Vorhandensein einer Temperatur im Bereich von 1200°C-1500°C an der Schadensfront während des gesamten Degradationsprozesses. Dabei hat sich gezeigt, dass selbst wenn keine Laseremission mehr vorliegt, die verstärkte spontane Emission ausreicht, um den fortschreitenden Degradationsprozessmit Energie zu versorgen. Für den Start des thermischen Runaway muss ein bestimmter Temperaturunterschied zwischen der späteren COD-Position und dem übrigen aktiven Lasermaterial erreicht werden. Die vorliegende Arbeit zeigt verschiedene Mechanismen auf, die zu einer solchen Situation führen können. Dabei spielen auch physikalische Eigenschaften der verwendeten Materialsysteme und Schichtstrukturen eine entscheidende Rolle. Ein neu im Rahmen dieser Arbeit entwickeltes Modell zur Beschreibung der räumlichen Schadensausbreitung nutzt diesen Umstand, um die Defektkinetik ex-post zu rekonstruieren. Dies ermöglicht das Aufzeigen von Schwachstellen im Bauelement. / The scope of this thesis is the time-resolved investigation of the catastrophic optical damage (COD) and the identification of the underlying physical mechanisms. The COD has been separated in three temporal phases: the aging, the thermal runaway (self-amplifying feedback mechanism), and the secondary defect growth. It was possible to reduce the first phase to a couple of nano-seconds by applying a new accelerated life test scheme. It was experimentally verified that the laser light is the primary energy source of COD. The applied thermographic technologies allowed an in-situ tracing of the defect growth. A fast thermo cycle during the passage of the defect front was confirmed by this direct measurement, a modeling of the heat flow, and a crystallographic material analysis. Different experimental setups indicate the presence of a temperature in the range of 1200°C-1500°C at the defect front, during the entire COD-degradation. Even if no lasing action is present anymore, the amplified spontaneous emission is sufficient to provide enough energy for further defect growth. In order to initiate the thermal runaway, a specific temperature difference is necessary between the COD-starting location and the remaining active laser material. This thesis provides an analysis of the mechanisms leading to such a situation. This kind of analysis was used to develop a new model of the geometrical defect growth. The ability to re-construct the defect dynamics based on ex-post analysis of the defect pattern allows for the identification of bottlenecks in the investigated device design leading to COD.

The 21st century has seen a reinvention of how modern electronics impact our daily lives; silicon-electronics and organic electronics are currently at the core of modern electronics. Recent advances have demonstrated that conductive metal–organic frameworks (MOFs), as another unique class of electronic materials, are emerging to provide additional possibility for multifunctional electronic devices that brings us “MOFtronics”. Typically, two-dimensional conjugated MOFs (2D c-MOFs) are a novel class of layer-stacked MOFs with in-plane extended π-conjugation that exhibit unique properties such as intrinsic porosity, crystallinity, stability, and electrical conductivity as well as tailorable band gaps. Benefiting from their unique features and high conductivity, 2D c-MOFs have displayed great potential for multiple high-performance (opto)electronic, magnetic, and energy devices. In this review article, we introduce the chemical and synthetic methodologies of 2D c-MOFs, intrinsic influences on their electronic structures and charge transport properties, as well as multifunctional applications of this class of materials for MOFtronics and potential power sources for MOFtronics. We highlight the benefits and limitations of thus-far developed 2D c-MOFs from synthesis to function and offer our perspectives in regard to the challenges to be addressed.

Correction for ‘Two-dimensional conjugated metal–organic frameworks (2D c-MOFs): chemistry and function for MOFtronics’ by Mingchao Wang et al., Chem. Soc. Rev., 2021, 50, 2764–2793, DOI: 10.1039/D0CS01160F.