I. Atomare Struktur Mittels Rastertunnelmikroskopie und Beugung langsamer Elektronen wird die atomare Struktur von vizinalen Cu(111)-Oberflächen untersucht. Der mittlere Stufenabstand auf den untersuchten Oberflächen deckt einen Bereich von ca. 1.0-2.5nm ab. Auf allen diesen Oberflächen wird ein regelmäßiges Stufenarray gefunden.Es wird gezeigt, dass das System Ag/Cu(223) ein gutes Beispiel für den Effekt der Selbstorganisation auf Kristalloberflächen darstellt. Durch die Ag-Adsorption im Bereich von 0-1ML wird eine periodische Facettierung der Cu(223)-Oberfläche induziert. Die Gleichgewichtsstruktur setzt sich aus Ag-bedeckten Facetten zusammen, die mit reinen Cu-Streifen alternieren. Die Breite der Cu- und der Ag-Streifen kann in einem Bereich von 3-30nm über die Ag-Bedeckung kontinuierlich eingestellt werden. II. Elektronische Struktur Mittels winkelaufgelöster Photoelektronen-Spektroskopie mit Synchrotron-Strahlung wird der Einfluss von Stufen auf den Oberflächenzustand von vizinalen Cu(111)-Oberflächen untersucht. Veränderungen bzgl. der Bindungsenergie werden im Rahmen eines eindimensionalen Kronig-Penny-Modells interpretiert. Als Ursache für das Kippen der Ausbreitungsebene bei einer kritischen Terrassenbreite (~1.7nm) wird die Überlagerung des Oberflächenzustands mit Volumenzuständen und dem damit verbundenen Übergang zur Oberflächenresonanz diskutiert. Bei dem System Ag/Cu(223) wird der Oberflächenzustand innerhalb der Cu-Streifen zum einen durch die Ag-Streifen lateral begrenzt, zum anderen ändert sich der mittlere Stufenabstand innerhalb der Cu-Streifen. Die hierbei gewonnenen Ergebnisse können im Vergleich mit den Ergebnissen diskutiert werden, die an den sauberen vizinalen Oberflächen gewonnen wurden. Mit größer werdender Bedeckung bildet sich ein neuer Zustand, dessen Ursprung in den Ag-Streifen liegt. Die beiden Zustände können in ihrer energetischen Lage und in ihrem Dispersionsverhalten unterschieden werden.

Das Verhalten der elektronischen Eigenschaften von gespaltenen, aus der Schmelze gezüchteten In2O3-(111) Kristallen wurde bei Deposition von Edelmetallen, In und Sn mittels winkelaufgelöster Photoelektronen-Spektroskopie untersucht. Die Stöchiometrie, strukturelle Qualität und Kristall-Orientierung, die Oberflächenmorphologie und die Elektronenkonzentration wurden jeweils mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie, Laue-Beugung, Raster Tunnel-Mikroskopie (STM) und Hall-Effekt untersucht. Die Ähnlichkeit der fundamentalen und Oberflächen-Bandlücken kann auf das fast flache Verhalten der Bänder auf der gespaltenen Oberfläche der Kristalle zurückgeführt werden. Die Grenzflächen von Ag und Au/In2O3 zeigen Schottky-Verhalten, während ein ohmscher in Cu, In und Sn /In2O3-Kontakten beobachtet wurde. Aufgrund der Übereinstimmung zwischen optischen und Oberflächen-Bandlücken, der Bildung eines Gleichrichterkontaktes und des Auftretens der Oberflächenphotospannung auf der frischen Kristalloberfläche kann gefolgert werden, dass SEAL nicht eine intrinsische Eigenschaft der gespaltenen Oberfläche der untersuchten Kristalle ist. Des Weiteren wurden bei dicker Au- und Cu-Beschichtung von In2O3 bei Raumtemperatur Shockley-artige Oberflächenzustände beobachtet. Zusätzlich wurde die erste Phase des Wachstums von Cu und In auf In2O3 von der Ausbildung eines 2-dimensionalen Elektrongases (2DEG) begleitet, welches bei dickeren Schichten verschwand, die von dem auf reinen Oberflächen von dünnen In2O3- Filmen gemessenen 2DEG verschieden sind. Nach Messung der Austrittarbeit von In2O3 und den jeweils untersuchten Metallen in situ und unter Verwendung der Schottky-Mott-Regel trat außer bei Ag/In2O3 eine deutliche Abweichung auf. Die experimentellen Ergebnisse stimmen auch mit fortgeschrittenen Theorien, die auf dem Elektronegativitätskonzept und MIGS–Modellen basieren, nicht überein. / The behavior of the electronic properties of as-cleaved melt-grown In2O3 (111) single crystals was studied upon noble metals, In and Sn deposition using angle-resolved photoemission spectroscopy. The stoichiometry, structural quality and crystal orientation, surface morphology, and the electron concentration were examined by energy dispersive X-ray spectroscopy, Laue diffraction, scanning tunneling microscopy (STM), and Hall-effect measurement, respectively. The similarity of the measured-fundamental and surface-band gaps reveals the nearly flat behavior of the bands at the as-cleaved surface of the crystals. Ag and Au/In2O3 interfaces show Schottky behavior, while an ohmic one was observed in Cu, In, and Sn/In2O3 contacts. From agreement of the bulk and surface band gaps, rectifying contact formation as well as the occurrence of photovoltage effect at the pristine surface of the crystals, it can be deduced that SEAL is not an intrinsic property of the as-cleaved surface of the studied crystals. Moreover, for thick Au and Cu overlayer regime at room temperature, Shockley-like surface states were observed. Additionally, the initial stage of Cu and In growth on In2O3 was accompanied by the formation of a two dimensional electron gas (2DEG) fading away for higher coverages which are not associated with the earlier-detected 2DEG at the surface of In2O3 thin films. The application of the Schottky-Mott rule, using in situ-measured work functions of In2O3 and the metals, showed a strong disagreement for all the interfaces except for Ag/In2O3. The experimental data also disagree with more advanced theories based on the electronegativity concept and metal-induced gap states models.

Electronic circuits comprising organic semiconductor thin-films are part of promising technologies for a renewable power generation and an energy-efficient information technology. Whereas TV and mobile phone applications of organic light emitting diodes (OLEDs) got ready for the market awhile ago, organic photovoltaics still lack in power conversion efficiencies, especially in relation to their current fabrication costs. A major reason for the low efficiencies are losses due to the large number of charge carrier traps in organic semiconductors as compared to silicon. It is the aim of this thesis to identify and quantify charge carrier traps in vacuum-deposited organic semiconductor thin-films and comprehend the reasons for the trap formation. For that, the techniques impedance spectroscopy (IS), thermally stimulated currents (TSC), and photoelectron spectroscopy are utilized. In order to assess the absolute energy of charge carrier traps, the charge carrier transport levels are computed for various hole transport materials such as MeO-TPD, pentacene, and ZnPc. Unlike inorganics, organic semiconductors possess in first-order approximation Gaussian distributed densities of states and temperaturedependent transport levels. The latter shift by up to 300 meV towards the energy gap-mid when changing from room temperature to 10 K as it is done for TSC examinations. The frequency-dependent capacitance response of charge carrier traps in organic Schottky diodes of pentacene and ZnPc are studied via impedance spectroscopy. In undoped systems, deep traps with depths of approx. 0.6 eV and densities in the order of 1016...1017 cm−3 are prevailing. For pentacene, the deep trap density is reduced when the material undergoes an additional purification step. Utilizing p-doping, the Fermi level is tuned in a way that deep traps are saturated. Vice versa, the freeze-out of p-doped ZnPc provides further insight into the influence of trap-filling, impurity saturation and reserve on the Fermi level position in organic semiconductors. Furthermore, charge carrier traps are investigated via thermally stimulated currents. It is shown that the trap depths are obtained correctly only if the dispersive transport of the released charge carriers until their extraction is considered. For the first time, the polarity of charge carrier traps in MeO-TPD, ZnPc, and m-MTDATA is identified from TSC’s differences in release time when spacer layers are introduced in the TSC samples. Simultaneously, tiny hole mobilities in the order of 10−13 cm2 Vs−1 are detected for low-temperature thin-films of the hole transporter material Spiro-TTB. It is shown for Spiro-TTB co-evaporated with the acceptor molecule F6-TCNNQ and a p-doped ZnPc:C60 absorber blend that the doping process creates shallow trap levels. Finally, various organic hole transport materials are examined upon their stability in water and oxygen atmosphere during sample fabrication and storage of the organic electronics. In case of pentacene, ZnPc, MeO-TPD, and m-MTDATA, hole traps are already present in unexposed thin-films, which increase in trap density upon oxygen exposure. A global trap level caused by oxygen impurities is found at energies of 4.7...4.8 eV that is detrimental to hole transport in organic semiconductors. / Elektronische Bauelemente aus Dünnschichten organischer Halbleiter sind Teil möglicher Schlüsseltechnologien zur regenerativen Energiegewinnung und energieeffizienten Informationstechnik. Während Fernseh- und Mobilfunkanwendungen organischer Leuchtdioden (OLEDs) bereits vor einiger Zeit Marktreife erlangt haben, ist die organische Photovoltaik (OPV) noch durch zu hohe Fertigungskosten in Relation zu unzureichenden Effizienzen unrentabel. Ein wesentlicher Grund für die niedrigen Wirkungsgrade sind Verluste durch die im Vergleich zu Silizium hohe Zahl an Ladungsträgerfallen in organischen Halbleitern. Ziel dieser Arbeit ist es, mittels Impedanz-Spektroskopie (IS), thermisch stimulierten Strömen (TSC) und Photoelektronenspektroskopie methodenübergreifend Ladungsträgerfallen in vakuumverdampften organischen Dünnschichten zu identifizieren, zu quantifizieren und ihre Ursachen zu ergründen. Um die Energie von Ladungsträgerfallen absolut beziffern zu können, wird zunächst für verschiedene Lochtransportmaterialien wie z.B. MeO-TPD, Pentazen und ZnPc die Transportenergie aus den in erster Ordnung gaußförmigen Zustandsdichten berechnet. Im Gegensatz zu anorganischen Halbleitern ist die Transportenergie in organischen Halbleitern temperaturabhängig. Sie verschiebt sich beim Übergang von Raumtemperatur zu 10 K, wie für TSC Untersuchungen bedeutsam, um bis zu 300 meV in Richtung der Bandlückenmitte. Mittels Impedanz-Spektroskopie wird die frequenzabhängige Kapazitätsantwort von Ladungsträgerfallen in organischen Schottky-Dioden aus Pentazen und ZnPc untersucht. In undotierten Systemen dominieren Defekte mit Tiefen um 0.6 eV, deren Dichte in der Größenordnung von 1016...1017 cm−3 liegt, sich aber im Fall von Pentazen durch einen zusätzlichen Materialaufreinigungsschritt halbieren lässt. Über p-Dotierung wird das Fermi-Level so eingestellt, dass tiefe Fallen abgesättigt werden können. Umgekehrt liefert das Ausfrieren von p-dotiertem ZnPc weitere Belege für den Einfluss von Fallenzuständen, Störstellen-Erschöpfung und Reserve auf das Fermi-Level in dotierten organischen Halbleitern. Im Weiteren werden Ladungsträgerfallen über thermisch stimulierte Ströme untersucht. Es wird gezeigt, dass die Fallentiefen nur dann konsistent bestimmt werden, wenn der dispersive Transport von freigesetzten Ladungsträgern zur Extraktionsstelle berücksichtigt wird. Durch Einführung von ’Abstandshalterschichten’ werden erstmalig über TSC die Polaritäten von Ladungsträgerfallen in MeO-TPD, ZnPc und m-MTDATA per Laufzeitunterschied bestimmt. Gleichzeitig werden geringste Löcherbeweglichkeiten in der Größenordnung von 10−13 cm2 Vs−1 für stark gekühlte Dünnschichten des Lochtransporters Spiro-TTB gemessen. Wie für Spiro-TTB koverdampft mit dem Akzeptormolekül F6-TCNNQ und p-dotierte Mischschichten der Absorbermaterialien ZnPc und C60 gezeigt, erzeugt Dotierung relativ flache Störstellen. Abschließend werden verschiedene organische Lochtransporter-Materialien auf ihre Stabilität in Wasser- und Sauerstoffatmosphären während der Prozessierung und der Lagerung fertiger elektronischer Bauelemente untersucht. Für Pentazen, ZnPc, MeO-TPD und m-MTDATA werden Löcherfallen in intrinsischen Dünnschichten nachgewiesen. Bei Kontakt mit Sauerstoff nimmt deren Defektdichte zu. Es findet sich ein universales Fallenniveau bei rund 4.7...4.8 eV, verursacht durch Sauerstoffverunreinigungen, welches den Lochtransport in organischen Halbleitern limitiert.

Electronic circuits comprising organic semiconductor thin-films are part of promising technologies for a renewable power generation and an energy-efficient information technology. Whereas TV and mobile phone applications of organic light emitting diodes (OLEDs) got ready for the market awhile ago, organic photovoltaics still lack in power conversion efficiencies, especially in relation to their current fabrication costs. A major reason for the low efficiencies are losses due to the large number of charge carrier traps in organic semiconductors as compared to silicon. It is the aim of this thesis to identify and quantify charge carrier traps in vacuum-deposited organic semiconductor thin-films and comprehend the reasons for the trap formation. For that, the techniques impedance spectroscopy (IS), thermally stimulated currents (TSC), and photoelectron spectroscopy are utilized. In order to assess the absolute energy of charge carrier traps, the charge carrier transport levels are computed for various hole transport materials such as MeO-TPD, pentacene, and ZnPc. Unlike inorganics, organic semiconductors possess in first-order approximation Gaussian distributed densities of states and temperaturedependent transport levels. The latter shift by up to 300 meV towards the energy gap-mid when changing from room temperature to 10 K as it is done for TSC examinations. The frequency-dependent capacitance response of charge carrier traps in organic Schottky diodes of pentacene and ZnPc are studied via impedance spectroscopy. In undoped systems, deep traps with depths of approx. 0.6 eV and densities in the order of 1016...1017 cm−3 are prevailing. For pentacene, the deep trap density is reduced when the material undergoes an additional purification step. Utilizing p-doping, the Fermi level is tuned in a way that deep traps are saturated. Vice versa, the freeze-out of p-doped ZnPc provides further insight into the influence of trap-filling, impurity saturation and reserve on the Fermi level position in organic semiconductors. Furthermore, charge carrier traps are investigated via thermally stimulated currents. It is shown that the trap depths are obtained correctly only if the dispersive transport of the released charge carriers until their extraction is considered. For the first time, the polarity of charge carrier traps in MeO-TPD, ZnPc, and m-MTDATA is identified from TSC’s differences in release time when spacer layers are introduced in the TSC samples. Simultaneously, tiny hole mobilities in the order of 10−13 cm2 Vs−1 are detected for low-temperature thin-films of the hole transporter material Spiro-TTB. It is shown for Spiro-TTB co-evaporated with the acceptor molecule F6-TCNNQ and a p-doped ZnPc:C60 absorber blend that the doping process creates shallow trap levels. Finally, various organic hole transport materials are examined upon their stability in water and oxygen atmosphere during sample fabrication and storage of the organic electronics. In case of pentacene, ZnPc, MeO-TPD, and m-MTDATA, hole traps are already present in unexposed thin-films, which increase in trap density upon oxygen exposure. A global trap level caused by oxygen impurities is found at energies of 4.7...4.8 eV that is detrimental to hole transport in organic semiconductors. / Elektronische Bauelemente aus Dünnschichten organischer Halbleiter sind Teil möglicher Schlüsseltechnologien zur regenerativen Energiegewinnung und energieeffizienten Informationstechnik. Während Fernseh- und Mobilfunkanwendungen organischer Leuchtdioden (OLEDs) bereits vor einiger Zeit Marktreife erlangt haben, ist die organische Photovoltaik (OPV) noch durch zu hohe Fertigungskosten in Relation zu unzureichenden Effizienzen unrentabel. Ein wesentlicher Grund für die niedrigen Wirkungsgrade sind Verluste durch die im Vergleich zu Silizium hohe Zahl an Ladungsträgerfallen in organischen Halbleitern. Ziel dieser Arbeit ist es, mittels Impedanz-Spektroskopie (IS), thermisch stimulierten Strömen (TSC) und Photoelektronenspektroskopie methodenübergreifend Ladungsträgerfallen in vakuumverdampften organischen Dünnschichten zu identifizieren, zu quantifizieren und ihre Ursachen zu ergründen. Um die Energie von Ladungsträgerfallen absolut beziffern zu können, wird zunächst für verschiedene Lochtransportmaterialien wie z.B. MeO-TPD, Pentazen und ZnPc die Transportenergie aus den in erster Ordnung gaußförmigen Zustandsdichten berechnet. Im Gegensatz zu anorganischen Halbleitern ist die Transportenergie in organischen Halbleitern temperaturabhängig. Sie verschiebt sich beim Übergang von Raumtemperatur zu 10 K, wie für TSC Untersuchungen bedeutsam, um bis zu 300 meV in Richtung der Bandlückenmitte. Mittels Impedanz-Spektroskopie wird die frequenzabhängige Kapazitätsantwort von Ladungsträgerfallen in organischen Schottky-Dioden aus Pentazen und ZnPc untersucht. In undotierten Systemen dominieren Defekte mit Tiefen um 0.6 eV, deren Dichte in der Größenordnung von 1016...1017 cm−3 liegt, sich aber im Fall von Pentazen durch einen zusätzlichen Materialaufreinigungsschritt halbieren lässt. Über p-Dotierung wird das Fermi-Level so eingestellt, dass tiefe Fallen abgesättigt werden können. Umgekehrt liefert das Ausfrieren von p-dotiertem ZnPc weitere Belege für den Einfluss von Fallenzuständen, Störstellen-Erschöpfung und Reserve auf das Fermi-Level in dotierten organischen Halbleitern. Im Weiteren werden Ladungsträgerfallen über thermisch stimulierte Ströme untersucht. Es wird gezeigt, dass die Fallentiefen nur dann konsistent bestimmt werden, wenn der dispersive Transport von freigesetzten Ladungsträgern zur Extraktionsstelle berücksichtigt wird. Durch Einführung von ’Abstandshalterschichten’ werden erstmalig über TSC die Polaritäten von Ladungsträgerfallen in MeO-TPD, ZnPc und m-MTDATA per Laufzeitunterschied bestimmt. Gleichzeitig werden geringste Löcherbeweglichkeiten in der Größenordnung von 10−13 cm2 Vs−1 für stark gekühlte Dünnschichten des Lochtransporters Spiro-TTB gemessen. Wie für Spiro-TTB koverdampft mit dem Akzeptormolekül F6-TCNNQ und p-dotierte Mischschichten der Absorbermaterialien ZnPc und C60 gezeigt, erzeugt Dotierung relativ flache Störstellen. Abschließend werden verschiedene organische Lochtransporter-Materialien auf ihre Stabilität in Wasser- und Sauerstoffatmosphären während der Prozessierung und der Lagerung fertiger elektronischer Bauelemente untersucht. Für Pentazen, ZnPc, MeO-TPD und m-MTDATA werden Löcherfallen in intrinsischen Dünnschichten nachgewiesen. Bei Kontakt mit Sauerstoff nimmt deren Defektdichte zu. Es findet sich ein universales Fallenniveau bei rund 4.7...4.8 eV, verursacht durch Sauerstoffverunreinigungen, welches den Lochtransport in organischen Halbleitern limitiert.

Über die besonders hohe Effizienz von Halid-Perowskit (HaP)-basierten optoelektronischen Bauteilen wurde bereits in der Literatur berichtet. Um die Entwicklung dieser Bauteile voranzutreiben, ist ein umfassendes und verlässliches Verständnis derer elektronischen Struktur, sowie der Energielevelanordnung (ELA) an HaP Grenzflächen von größter Bedeutung. Demzufolge beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Untersuchung i) der Bandstruktur von Perowskit-Einkristallen, um ein solides Fundament für die Darlegung der elektronischen Eigenschaften von polykristallinen Dünnschichten zu erarbeiten, und mit ii) den Einflüssen von Oberflächenzuständen auf die elektronische Struktur der Oberfläche, sowie deren Rolle bei der Kontrolle von ELA an HaP Grenzflächen. Die Charakterisierung erfolgt überwiegend mithilfe von Photoelektronenspektroskopie (PES) und ergänzenden Messmethoden wie Beugung niederenergetischer Elektronen an Oberflächen, UV-VIS-Spektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Kelvin-Sonde. Erstens weist die Banddispersion von zwei prototypischen Perowskit-Einkristallen eine starke Dispersion des jeweiligen oberen Valenzbandes (VB) auf, dessen globales Maximum in beiden Fällen am R-Punkt in der Brillouin-Zone liegt. Dabei wird eine effektive Lochmasse von 0.25 m0 für CH3NH3PbBr3, bzw. von ~0.50 m0 für CH3NH3PbI3 bestimmt. Basierend auf diesen Ergebnissen werden die elektronischen Spektren von polykristallinen Dünnschichten konstruiert und es wird dadurch aufgezeigt, dass eine Bestimmung der Valenzbandkantenposition ausgehend von einer logarithmischen Intensitätsskala aufgrund von geringer Zustandsdichte am VB Maximum vorzuziehen ist. Zweitens stellt sich bei der Untersuchung der elektronischen Struktur von frisch präparierten Perowskit-Oberflächen heraus, dass die n-Typ Eigenschaft eine Folge der Bandverbiegung ist, welche durch donatorartige Oberflächenzustände hervorgerufen wird. Des Weiteren weisen die PES-Messungen an Perowskiten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen aufgrund von Oberflächenphotospannung eine Anregungslichtintensitätsabhängigkeit der Energieniveaus von bis zu 0.7 eV auf. Darüber hinaus wird die Kontrolle von ELA durch gezielte Variation der Oberflächenzustandsdichte gezeigt, wodurch sich unterschiedliche ELA-Lagen (mit Abweichungen von über 0.5 eV) an den Grenzflächen mit organischen Akzeptormolekülen erklären lassen. Die vorliegenden Ergebnisse verhelfen dazu, die starke Abweichung der in der Literatur berichteten Energieniveaus zu erklären und somit ein verfeinertes Verständnis des Funktionsprinzips von perowskit-basierten Bauteilen zu erlangen. / Optoelectronic devices based on halide perovskites (HaPs) and possessing remarkably high performance have been reported. To push the development of such devices even further, a comprehensive and reliable understanding of their electronic structure, including the energy level alignment (ELA) at HaPs interfaces, is essential but presently not available. In an attempt to get a deep insight into the electronic properties of HaPs and the related interfaces, the work presented in this thesis investigates i) the fundamental band structure of perovskite single crystals, in order to establish solid foundations for a better understanding the electronic properties of polycrystalline thin films and ii) the effects of surface states on the surface electronic structure and their role in controlling the ELA at HaPs interfaces. The characterization is mostly performed using photoelectron spectroscopy, together with complementary techniques including low-energy electron diffraction, UV-vis absorption spectroscopy, atomic force microscopy and Kelvin probe measurements. Firstly, the band structure of two prototypical perovskite single crystals is unraveled, featuring widely dispersing top valence bands (VB) with the global valence band maximum at R point of the Brillouin zone. The hole effective masses there are determined to be ~0.25 m0 for CH3NH3PbBr3 and ~0.50 m0 for CH3NH3PbI3. Based on these results, the energy distribution curves of polycrystalline thin films are constructed, revealing the fact that using a logarithmic intensity scale to determine the VB onset is preferable due to the low density of states at the VB maximum. Secondly, investigations on the surface electronic structure of pristine perovskite surfaces conclude that the n-type behavior is a result of surface band bending due to the presence of donor-type surface states. Furthermore, due to surface photovoltage effect, photoemission measurements on different perovskite compositions exhibit excitation-intensity dependent energy levels with a shift of up to 0.7 eV. Eventually, control over the ELA by manipulating the density of surface states is demonstrated, from which very different ELA situations (variation over 0.5 eV) at interfaces with organic electron acceptor molecules are rationalized. Our findings further help to explain the rather dissimilar reported energy levels at perovskite surfaces and interfaces, refining our understanding of the operational principles in perovskite related devices.

Obwohl wir sie oft nicht bewusst wahrnehmen, sind Nanopartikel heutzutage in den meisten Bereichen unseres Alltags präsent, unter anderem in Lebensmitteln und ihren Verpackungen, Medizin, Medikamenten, Kosmetik, Pigmenten und in elektronischen Geräten wie Computermonitoren. Ein Großteil dieser Partikel weist, beabsichtigt oder unbeabsichtigt, eine Kern-Schale Morphologie auf. Einfachheitshalber wird diese Morphologie eines Kern-Schale-Nanopartikels (CSNP) oft als ideal angenommen, d.h. als ein sphärischer Kern, der komplett von einer Schale homogener Dicke bedeckt ist, mit einer scharfen Grenzfläche zwischen Kern- und Schalenmaterial. Außerdem wird vielfach auch davon ausgegangen, alle Partikel der Probe hätten gleiche Schalendicken. Tatsächlich weichen die meisten realen CSNPs in verschiedenster Weise von diesem Idealmodell ab, mit oft drastischen Auswirkungen darauf, wie gut sie ihre Aufgabe in einer bestimmten Anwendung erfüllen. Das Thema dieser kumulativen Doktorarbeit ist die exakte Charakterisierung der wirklichen Morphologie von CSNPs mit modernen Röntgen-basierten Methoden, konkret Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) und Raster-Transmissions-Röntgen-Mikroskopie (STXM). Der Fokus liegt insbesondere auf CSNPs, die von einer idealen Kern-Schale-Morphologie abweichen. Aufgrund der enormen Vielfalt an CSNPs, die sich in Material, Zusammensetzung und Form unterscheiden, kann eine Messmethode nicht völlig unverändert von einer Probe auf eine andere übertragen werden. Nichtsdestotrotz, da die als Teil dieser Doktorarbeit präsentierten Artikel eine deutlich ausführlichere Beschreibung der Experimente enthalten als vergleichbare Publikationen, stellen sie eine wichtige Anleitung für andere Wissenschaftler dafür dar, wie aussagekräftige Informationen über CSNPs durch Oberflächenanalytik erhalten werden können. / Even though we often do not knowingly recognize them, nanoparticles are present these days in most areas of our daily life, including food and its packaging, medicine, pharmaceuticals, cosmetics, pigments as well as electronic products, such as computer screens. The majority of these particles exhibits a core-shell morphology either intendedly or unintendedly. For the purpose of practicability, this core-shell nanoparticle (CSNP) morphology is often assumed to be ideal, namely a spherical core fully encapsulated by a shell of homogeneous thickness with a sharp interface between core and shell material. It is furthermore widely presumed that all nanoparticles in the sample possess the same shell thickness. As a matter of fact, most real CSNPs deviate in several ways from this ideal model with quite often severe impact on how efficiently they perform in a specific application. The topic of this cumulative PhD thesis is the accurate characterization of the actual morphology of CSNPs by advanced X-ray analytical techniques, namely X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and scanning transmission X-ray microscopy (STXM). A special focus is on CSNPs which deviate from an ideal core-shell morphology. Due to the vast diversity of nanoparticles differing in material, composition and shape, a measurement procedure cannot unalteredly be transferred from one sample to another. Nevertheless, because the articles in this thesis present a greater depth of reporting on the experiments than comparable publications, they constitute an important guidance for other scientists on how to obtain meaningful information about CSNPs from surface analysis.

SHF Photoelektroneninjektoren sind eine vielversprechende Elektronquelle für hochbrillante Teichenbeschleuniger mit hohem mittlerem Strom und kurzen Teilchenpulsen, wie FELs und ERLs. Für das ERL Projekt bERLinPro wurde einer unabhängige Testanlage GunLab entwickelt um die Leistungsfähigkeit der Injektoren und die Strahlparameter zu überprüfen. Darüber hinaus können neue Komponenten zur Strahldiagnose getestet werden. Die Hauptaufgabe von GunLab ist die Beschreibung des vollständigen sechsdimensionalen Phasenraums der Elektronen in Abhängigkeit aller Injektorparameter. Die Anlage besteht aus einer kompakten Diagnosestrahlführungan dem SHF Photoelektroneninjektoren und einem Kathodenlasersystem. Im Rahmen dieser Arbeit wurden analytische und numerische Studien zu den SHF Photoelektroneninjektoren durchgeführt, um zu erwartende Strahlparameter zu detektieren und die Anforderungen an die Strahldiagnose festzulegen. Darüber hinaus wurden verschiedene Emittanzbeiträge der einzelnen Injektorkomponenten untersucht. Diesbezüglich wurde das Magnetfeld des aktuellen Solenoiden kartiert und auf Asymmetrien getestet, die ebenfalls zu Emittanzvergrößerungen beitragen können. Eine der wesentlichen Komponenten der Diagnosestrahlführung ist das (transversale) Phasenraummesssystem, für das eine besondere Magnetgeometrie entwickelt wurde. Weitere Diagnose Komponenten sind ein optimierter Spektrometerdipol und eine transversal ablenkende Kavität, durch die sich zusammen mit zwei Quadrupolmagneten die Scheibenemittanz bestimmen lässt. Für GunLab wurden unterschiedliche optische Messsysteme entwickelt und optimiert. Der herausforderndste Aufbau ist dabei das Strahl-Halo Messsystem. Es ermöglicht die Beobachtung der transversalen Ladungsverteilung über einen Dynamikbereich von bis zu 6 Größenordnungen. Die Leistungsfähigkeit und die Auflösung aller Messsysteme und Messroutinen wurden bestimmt, um die Visualisierung des kompletten Phasenraums durch GunLab sicher zu stellen. / SRF photoelectron injectors are promising electron sources for high brightness accelerators with high average current and short pulse duration like FELs and ERLs. For the ERL project bERLinPro an independent test facility called GunLab was developed and set up to optimize the operation performance of SRF photoinjectors and the electron beam parameters. Furthermore, GunLab allows to investigate the operation of different kinds of photocathodes in the environment of an SRF accelerator and to study new beam diagnostic concepts. Of outmost importance is the characterization of the full six dimensional phase space as a function of all injector parameters. GunLab consists of the compact diagnostic beam line, connected to the SRF photoinjetor module, and a drive laser. In the context of this thesis, analytical and numerical investigations of the SRF photoinjector were performed to estimate beam parameter ranges and to determine the diagnostics requirements. Furthermore, various emittance contributors of the injector were determined. Thereby the magnetic field of the final designed solenoid was measured to determine field asymmetries, which are one major source of emittance growth. One of the central diagnostic components of the beamline is the (horizontal) phase space scanner system. For this purpose, a dedicated air-coil magnet design was developed. Additional diagnostic components include an optimized spectrometer system, a transverse deflecting cavity (TCav) and two quadrupole magnets, to determine longitudinal and sliced emittance. For GunLab different optical measurement systems were developed and optimized, the most challenging setup is a beam halo measurement system. This device is able to observe the transverse charge density with a dynamic range of up to 6 orders of magnitude. The performance and the resolution of all measurement systems and routines for GunLab were determined to ensure the visualization of the electron beam phase space.

Graphene has been considered for a variety of applications including novel nanoelectronic device concepts. However, the deposition of ultra-thin high-k dielectrics on top of graphene has still been challenging due to graphene's lack of dangling bonds. The formation of large islands and leaky films has been observed resulting from a much delayed growth initiation. In order to address this issue, we tested a pre-treatment with NF³ instead of XeF² on CVD graphene as well as epitaxial graphene monolayers prior to the Atomic Layer Deposition (ALD) of Al²O³. All experiments were conducted in vacuo; i. e. the pristine graphene samples were exposed to NF³ in the same reactor immediately before applying 30 (TMA - H²O) ALD cycles and the samples were transferred between the ALD reactor and a surface analysis unit under high vacuum conditions. The ALD growth initiation was observed by in-situ real-time Spectroscopic Ellipsometry (irtSE) with a sampling rate above 1 Hz. The total amount of Al²O³ material deposited by the applied 30 ALD cycles was cross-checked by in-vacuo X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). The Al²O³ morphology was determined by Atomic Force Microscopy (AFM). The presence of graphene and its defect status was examined by in-vacuo XPS and Raman Spectroscopy before and after the coating procedure, respectively.

Zukünftige Beschleunigerprojekte und Nutzerexperimente erfordern für ihren Betrieb einen hochbrillanten Elektronenstrahl mit hohem mittlerem Strom. Eine Elektronenquelle mit dem Potential die Anforderungen erfüllen, ist ein supraleitender Hochfrequenz (SHF) Photoinjektor im Dauerstrichbetrieb. Die Strahldynamik eines solchen Photoinjektor Systems bestimmt die maximal zu erreichende Strahlbrillanz und wird ihrerseits von den Design und Betriebsparametern des Photoinjektors beeinflusst. Ziel ist immer die entscheidenden Design- und Betriebsparameter der Elektronenquelle hinsichtlich einer maximalen Strahlbrillanz zu wählen. Diese Aufgabe verlangt ein detailliertes Verständnis der Strahldynamik-Prozesse. Ferner ist es notwendig, eine Optimierung des Photoinjektors als Ganzes, mit dem Ziel einer maximalen Strahlqualität bei hohem mittlerem Strom, vorzunehmen. Dieses ermöglicht auch, die physikalischen Grenzen eines gegebenen Designs zu ermitteln und im Betrieb vollständig auszunutzen. Diese Doktorarbeit befasst sich mit der Strahldynamik in einem SHF Photoinjektor, unter Berücksichtigung interner Raumladungseffekte. Die Erkenntnisse zur Strahldynamik werden für die Entwicklung eines Optimierungsprogramms verwendet, um die Leistung des Injektors hinsichtlich der Strahlbrillanz zu verbessern. Die entwickelte Methode basiert auf Pareto-Optimierung mehrerer Zielfunktionen, unter Verwendung eines generischen Algorithmus. Das zentrale Ergebnis dieser Arbeit umfasst ein universelles Optimierungsprogramm, das für Photoinjektoren unabhängig von ihrem Design und Anwendungsgebiet genutzt werden kann. Für den Betrieb mit hoher Strahlbrillanz ist es möglich aus den erhaltenen Pareto-optimalen Lösungen einen stabilen Satz an Einstellwerten für den Photoinjektor zu extrahieren. Durch die allgemeine Optimierungsstrategie lässt sich das entwickelte Programm auch für andere Beschleunigerabschnitte, oder die Optimierung einer ganzen Anlage mit erweiterter Zielsetzung anpassen. / An increasing number of future accelerator projects, light sources and user experiments require high brightness, high average current electron beams for operation. Superconducting radio-frequency (SRF) photoinjectors running in continuous-wave (cw) mode hold the potential to serve as an electron source that generates electron beams of high brightness. Different operation and design parameters of the SRF photoinjector impact the beam dynamics and, thus, the beam brightness. Therefore, an in-depth understanding of the beam dynamics processes in an SRF photoinjector and the dependency of the beam dynamics on the photoinjector set parameters is crucial. A high brightness beam operation requires a global optimization of the SRF photoinjector that allows to find suitable photoinjector settings and to figure out and extend the physical performance limits of the investigated injector design. The dissertation at hand offers a detailed analysis of the beam dynamics in an SRF photoinjector regarding internal space charge effects. Furthermore, the impact of the photoinjector elements on the electron beam is discussed. The lessons learned from this theoretical view are implemented in the development of an optimization tool to achieve a high brightness performance. A universal multi-objective optimization program based on a generic algorithm was developed to extract stable, optimum gun parameter from Pareto-optimum solutions. This universal tool is able to optimize and find the physical performance limit of any (S)RF photoinjector independent from the individual application of the electron source (energy recovery linac, free electron laser, ultra-fast electron diffraction). This thesis thereby verifies and complements existing theoretical considerations regarding photoinjector-beam interactions. The global optimization strategy can be introduced to variable optimization objectives as well as it can be extended to an optimization of further parts of the accelerator facility.