The present thesis deals with Nb-Si alloy composites in both bulk and multilayer forms. The work has been divided into two parts. First part (chapter 4-6) deals with Nb based silicides binary and ternary alloys with alloying additions like Ga and Al. These alloys are synthesized by vacuum arc melting and suction casting (non-equilibrium processing techniques). The studies on intermetallic coatings of Nb-Si alloys and Nb/Si multilayer synthesized by pulsed laser deposition technique have been presented in the second part (chapter7-8). Nb-Si alloys are one of the candidate materials for the advanced structural and microelectronic applications. There are few issues with these materials like poor oxidation resistance, low fracture toughness and brittleness which need to be solved. Microstructure plays a crucial role to control these properties. The main focus of this work is to understand the process of phase transformation and thereby control the microstructure in both bulk alloys and thin films. We have also investigated in a limited manner mechanical and environmental properties of bulk alloys. This thesis is subdivided into nine chapters. After a brief introduction in the first chapter, a brief overview on Nb-Si phase diagram and literature reviews on Nb-Si based alloys are presented with emphasis on the current work in the second chapter. Literature reviews on the phase formations sequence and stability in Nb-Si alloys thin films and Nb/Si multilayers are also discussed in the same chapter. In the third chapter different experimental techniques, processing parameters and characterization tools like XRD, SEM, TEM etc. are briefly discussed. Special emphasis is given on two non-equilibrium techniques: laser deposition technique to deposit the thin film/multilayer and vacuum suction casting to produce the 3 mm diameter rods of different Nb-Si alloys. The fourth chapter discusses the microstructural aspects of Nb-Si alloys prepared by suction casting and its mechanical behavior. The samples have the compositions hypoeutectic (Nb-10at.%Si and Nb-14at.%Si), eutectic (Nb-18.7at.%Si) and hypereutectic (Nb-22at.% Si and Nb-25at.% Si). SEM microstructural analyses of all the samples clearly show the enhancement in the volume fraction of eutectic and decease in the eutectic spacings in microstructure due to large undercooling. Rod eutectic is observed in most of places with irregular eutectic a few places in all samples. First check of phases has been done by XRD in all samples. Phase confirmation using TEM showed the eutectic between Nbss and Nb3Si phases in all samples. The primary phase for hypoeutectic alloys is Nbss (dendritic structure), Nb3Si phase for eutectic composition and β-Nb5Si3 phase for hypereutectic alloys. Compositional analysis using EDS and EPMA also supported the above results. No signature of eutectoid reaction (Nb3Si→Nb+α-Nb5Si3) is observed. Mechanical properties like hardness, strength, ductility and indentation fracture toughness have been determined for above mention alloy compositions. SEM micrographs showed that silicides fractured by cleavage and Nb phase in a ductile manner during the compression tests carried out at room temperature. We attempt to explain how the above mention mechanical properties change with alloy compositions and processing. Chapter five deals with the effect of Ga addition on the microstructure and mechanical properties of the Nb-Si alloy. The composition selected for this study is Nb-20.2at.%Si-2.7at.%Ga. The results of ternary alloy have been compared with the binary alloy composition Nb-18.7at.%Si. Phase analysis has been carried out using TEM and XRD. Ga addition has suppressed the formation of Nb3Si phase and promoted the formation of β-Nb5Si3 phase. Ga addition also established the eutectic between Nbss and β-Nb5Si3, which is a metastable eutectic. Ga added ternary alloy, on suction casting, yields ultrafine eutectic with nanometer length scale (50-100nm). From the compression tests, it is concluded that the combination of ultrafine eutectic (Nbss-β-Nb5Si3) and primary β-Nb5Si3 in ternary alloy results in a high compressive strength ~2.8±0.1 GPa with 4.3% plasticity. In contrast binary alloy under identical conditions shows the compressive strength ~1.35±0.1 GPa and 0.2% plasticity. Ga addition also enhances the indentation fracture toughness from 9.2±0.05 MPa√m (binary) to 24.11±0.5 MPa√m (ternary). Composite hardness values of the ternary and binary alloys are 1064±20 Hv and 1031±20 Hv respectively. Chapter six deals with Al added Nb-Si ternary alloy. Here we have discussed microstructural and mechanical properties like in chapter 5 along with oxidation behavior for the alloy composition Nb-12.7at.%Si-9at.%Al. SEM micrograph shows the presence of primary dendrites structure with ultra fine lamellar eutectic (50-100nm). Detailed TEM studies confirm the Nbss as primary phase present in form of dendrites. These dendrites contain the plate shape precipitates of δ-Nb11Si4 (body centered orthorhombic structure) phase in Nb matrix (primary dendrites). Eutectic phases are Nbss and β-Nb5Si3. The analysis of the results indicates that Al addition promote the formation of β-Nb5Si3 phase in the eutectic. The results of this ternary composition were also compared with the binary alloy composition Nb-18.7at.%Si. Compression tests have been carried out at room and elevated temperatures to measure the strength of the material. Al added ternary alloy yields the compressive strength value 1.6±0.01 GPa whereas binary alloy yields the compressive strength value 1.1±0.01 GPa. Enhancement in indentation fractured toughness is observed in Al added ternary alloy (20.4±0.5MPa√m) compare to binary alloy (9.2±0.05 MPa√m). Thermal analysis by TGA and DTA were used to see the oxidation behavior of Al added ternary alloy. Chapter seven deals with the deposition characteristics and the TEM studies on the laser deposited Nb-Si thin films. Films were deposited on the NaCl crystals and Si single crystal substrates. The compositions chosen in this case are Nb-25at.%Si, Nb-37.5at.%Si and Nb-66.7at.%Si. These compositions correspond to the equilibrium intermetallic compounds Nb3Si, Nb5Si3 and NbSi2 respectively. In this chapter we have briefly discussed the microstructural and phase evolutions in the intermetallic coatings. The smooth films quenched from the vapor and/or plasma state show amorphous structure. The sequence of crystallization was studied by hot stage TEM experiments as well as by cross sectional TEM in the films deposited at the elevated temperatures (600oC and 700oC) on Si substrates. During the hot stage experiment, crystallization is observed in Nb-25at.%Si film around 850oC with nucleation of metastable cubic Nb3Si phase. Occasionally metastable hexagonal Nb3Si3 phase has also been observed (close to Si substrate) along with cubic Nb3Si phase in the films at elevated temperatures. For Nb-37.5at.%Si film, crystallization is observed at 800oC with the nucleation of grains of metastable hexagonal Nb5Si3 phase. Cross-sectional TEM shows the presence of hexagonal Nb5Si3 phase along with few grains of NbSi3 (equilibrium) phase in the films deposited at elevated temperatures. Hot stage experiment of Nb-66.3at.%Si film showed the onset of crystallization much earlier at 400oC and complete crystallization at 600oC. This crystallization leads to the nucleation of grains of NbSi2 phase. Films of this composition deposited at elevated temperatures showed the presence of NbSi2 and metastable hexagonal Nb5Si3 phases (occasionally). The laser ablated films, besides the film matrix also contain the micron and submicron sized spherical droplets of different sizes. These droplets travel at very high velocities and impinge on the substrate resulting in a very high rate of heat transfer during solidification from liquid state. Therefore in this work we have also studied the microstructural evolution in the droplets for each composition. The phases observed in the droplets embedded in the matrix of Nb-25 at% Si alloy film are the bcc Nb and the cubic Nb3Si (metastable phase). The droplets in the matrix of Nb-37.5 at% Si alloy showed the bcc Nb and tetragonal β-Nb5Si3 phases. The phases observed in the droplets of in the Nb-66.3at.%Si alloy are the bcc Nb, tetragonal β-Nb5Si3 and the hexagonal NbSi2 (metastable phase). Chapter eight describes the synthesis and microstructural characterization using TEM of Nb/Si multilayers. The aim of this work is to check the stability and phase formation sequence in Nb/Si multilayer. Nb/Si multilayers were first annealed at different time intervals at 600oC and at different temperatures (for 2 hours) and then characterized by the cross-sectional transmission electron microscopy. As-deposited Nb layer is crystalline while Si layer is amorphous. Microstructural and compositional evidences suggest the intermixing between the Nb and Si layers at the interfaces. Nb/Si multilayer annealed at 600oC for 1 hour, NbSi2 was identified as the first crystalline nucleating phase. However amorphous silicide layers were also observed between Nb and NbSi2 layers. Metastable hexagonal Nb5Si3 was identified as the next crystalline phase that nucleated from the amorphous silicide layers at the interfaces of Nb and NbSi2 layers. Occasionally few grains of cubic Nb3Si phase were also observed after 8 hours of annealing at 600oC. In the chapter we have compared the results to the other reported works in Nb-Si bulk diffusion couples and also thin film couples. The final chapter summarizes the major conclusions of the present work and scope of future work.

Nous présentons une étude des effets de contrainte induits par l’épitaxie dans des couches minces La1-xSrxMnO3 (LSMO) (001) (x = 0.33) pour 3 épaisseurs de films (50, 25 et 12 nm) déposés par Ablation Laser Pulsée (PLD) sur différents substrats tels que SrTiO3 (STO) (001), STO buffered MgO (001), NdGaO3 (NGO) (110) et (LaAlO3)0.3(Sr2AlTaO6)0.7 (LSAT) (001). L’étude est complétée par l’effet de la composition sur les propriétés magnétiques de couches minces de La1-xSrxMnO3 avec x=0,33 et 0,38 déposées par Epitaxie à Jets Moléculaires (MBE). Des caractérisations par diffraction de rayons X (XRD), et microscopie à force atomique (AFM), des mesures de résistivité électrique en quatre points en fonction de la température, d’aimantation par magnetometrie à SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) et d’anisotropie magnétique par magnétométrie magnéto-optique Kerr vectorielle (MOKE) sont présentées. Les évolutions angulaires de l’anisotropie magnétique, de l’aimantation à rémanence, du champ coercitif et du champ de renversement d’aimantation ont ainsi pu être analysées pour des films épitaxiés LSMO de différentes épaisseurs. Des études en fonction de la température complètent les données. L’origine de l’anisotropie (magnétique, magnétocristalline, magnétostrictive ou liée aux effets de marches et d’angle de désorientation du substrat) est finalement discutée. / We report a quantitative analysis of thickness dependent epitaxial strain-induced effects in La1-xSrxMnO3 (LSMO) (001) (x = 0.33) thin films of thicknesses (50, 25 and 12 nm) grown on various single crystal substrates such as SrTiO3 (STO) (001), STO buffered MgO (001), NdGaO3 (NGO) (110) and (LaAlO3)0.3(Sr2AlTaO6)0.7 (LSAT) (001) by Pulsed Laser Deposition (PLD) technique. We also report the composition dependent magnetic properties of LSMO thin films with x = 0.33 and 0.38 in particular grown onto LSAT (001) substrate by Molecular Beam Epitaxy (MBE). The study mainly includes measurements such as X-ray Diffraction (XRD), Atomic Force Microscopy (AFM), temperature dependent four-probe resistivity, magnetization properties by Superconducting Quantum Interference Device (SQUID), magnetic anisotropy by Magneto-Optical Kerr Magnetometry (MOKE). Our results highlight the detailed study of angular evolution and thickness dependent magnetic anisotropy, remanence, coercivity and switching field in epitaxial LSMO thin films. Temperature-dependent studies are also performed on few selected films. We will also discuss the cause of magnetic anisotropy in LSMO films i.e., magneto-crystalline and magnetostriction anisotropy and the effects of steps or substrate mis-cut induced anisotropy.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit magnetischen Tunnelkontakten (magnetic tunnel junctions, MTJs) auf Basis des Oxids Zinkferrit (ZnxFe3-xO4). Dabei soll das Potential dieses Materials durch die Demonstration des Tunnelmagnetowiderstandes (tunnel magnetoresistance, TMR) in zinkferritbasierten Tunnelkontakten gezeigt werden. Dazu wurde ein Probendesign für MTJs auf Basis der „pseudo spin valve“-Geometrie entwickelt. Die Basis für dieseStrukturen ist ein Dünnfilmstapel aus MgO (Substrat) / TiN / ZnxFe3-xO4 / MgO / Co. Dieser ist mittels gepulster Laserabscheidung (pulsed laser deposition, PLD) hergestellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die strukturellen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Dünnfilme untersucht. Des weiteren wurden die fertig prozessierten MTJ-Bauelemente an einem im Rahmen dieser Arbeit entwickeltem und aufgebautem TMR-Messplatz vermessen. Dabei ist es gelungen einen TMR-Effekt von 0.5% in ZnxFe3-xO4-basierten MTJs nachzuweisen. Das erste Kapitel der Arbeit gibt eine Einführung in die spintronischen Effekte Riesenmagnetowiderstand (giant magnetoresistance, GMR) und Tunnelmagnetowiderstand (TMR). Deren technologische Anwendungen sowie die grundlegenden physikalischen Effekte und Modelle werden diskutiert. Das zweite Kapitel gibt eine Übersicht über die Materialklasse der spinellartigen Ferrite. Der Fokus liegt auf den Materialien Magnetit (Fe3O4) sowie Zinkferrit (ZnxFe3-xO4). Die physikalischen Modelle zur Beschreibung der strukturellen, magnetischen und elektrischen Eigenschaften dieser Materialien werden dargelegt sowie ein Literaturüberblick über experimentelle und theoretische Arbeiten gegeben. Im dritten Kapitel werden die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Probenpräparations- und Charakterisierungsmethoden vorgestellt und technische Details sowie physikalische Grundlagen erläutert. Die Entwicklung eines neuen Probendesigns zum Nachweis des TMR-Effekts in ZnxFe3-xO4-basierten MTJs ist Gegenstand des vierten Kapitels. Die Entwicklung des Probenaufbaus sowie die daraus resultierende Probenprozessierung werden beschrieben. Die beiden letzten Kapitel befassen sich mit der strukturellen, elektrischen und magnetischen Charakterisierung der mittels PLD abgeschiedenen Dünnfilme sowie der Tunnelkontaktstrukturen.

This report collects selected outstanding scientific and technological results obtained within the frame of the European project "FLASiC" (Flash LAmp Supported Deposition of 3C-SiC) but also other work performed in adjacent fields. Goal of the project was the production of large-area epitaxial 3C-SiC layers grown on Si, where in an early stage of SiC deposition the SiC/Si interface is rigorously improved by energetic electromagnetic radiation from purpose-built flash lamp equipment developed at Forschungszentrum Rossendorf. Background of this work is the challenging task for areas like microelectronics, biotechnology, or biomedicine to meet the growing demands for high-quality electronic sensors to work at high temperatures and under extreme environmental conditions. First results in continuation of the project work – for example, the deposition of the topical semiconductor material zinc oxide (ZnO) on epitaxial 3C-SiC/Si layers – are reported too.

The work in this thesis focuses on the preparation of epitaxial Nd-Fe-B thin films using pulsed laser deposition for good hard magnetic properties. They are suitable for a basic understanding of the intrinsic magnetic properties. Compositional control was necessary to achieve phase formation with improved magnetic properties. Nd-Fe-B samples were prepared on single crystal MgO (001) substrates with different buffer layers in order to obtain good textures with different surface morphology. The smooth and continuous epitaxial films were suitable for performing magnetization measurements under stress. Although the magnetostriction is easily neglected in the Nd2Fe14B compound, distinguishable inverse magnetostriction was observed by conventional tensile elongation with a flexible substrate. As a result, anisotropic strain in the film, which breaks the in-plane symmetry, affected the opening angle during the spin reorientation. Therefore an elliptical distortion of the in-plane anisotropy below the spin reorientation temperature of Nd2Fe14B was obtained, whereas the transition temperature itself was not influenced significantly. / Diese Arbeit behandelt die Herstellung dünner epitaktischer Nd-Fe-B-Schichten mit gepulster Laserdeposition mit dem Ziel, gute hartmagnetische Eigenschaften zu erreichen. Diese Schichten sind außerdem für das Verständnis grundlegender magnetischer Eigenschaften geeignet. Die Kontrolle der Zusammensetzung ist notwendig, um die Phasenbildung und optimale hartmagnetische Eigenschaften zu erreichen. Nd-Fe-B-Schichten wurden auf einkristallinen MgO (001)-Substraten mit verschiedenen Buffern deponiert, um unterschiedliche Texturen und Oberflächenmorphologien einzustellen. Die glatten kontinuierlichen epitaktischen Schichten ermöglichen die Messung der Magnetisierung bei gleichzeitig angelegter mechanischer Spannung. Obwohl die Magnetostriktion bei Nd-Fe-B im Allgemeinen vernachlässigt werden kann, konnte an Nd-Fe-B-Schichten nach dem Aufbringen einer Dehnung auf ein flexibles Substrat eine deutliche inverse Magnetostriktion induziert werden. Die anisotrope Dehnung in der Schicht, die die Symmetrie in der Schichtebene bricht, beeinflusst die Öffnungswinkel bei der Spinreorientierung. Damit wurde unterhalb der Spinreorientierungstemperatur eine elliptische Verzerrung der Anisotropie in der Schichtebene erreicht, die Übergangstemperatur selbst änderte sich dagegen nicht signifikant.

The fundamental properties of hexagonal multiferric HoMnO3 films have been thoroughly investigated. The films are grown by pulsed laser deposition on Y:ZrO2(111) substrates. High quality epitaxial HoMnO3 films of 25 { 1000 nm thickness were successfully prepared. The film properties are compared to those of single-crystals. The magnetization measurements revealed that the films show a deviating magnetic behavior from the single-crystals in several ways. For instance, the films have a weakened antiferromagnetic Ho3+ order confirmed from magnetic susceptibility. The difierences are likely to be related to the modified (mostly larger) lattice parameters of films. An approximate phase diagram in comparison with the single-crystal's one is constructed. For multiferroicity investigations, Second Harmonic Generation (SHG; in collaboration with the group of M. Fiebig) has been employed. By SHG, the ferroelectric polar order of the films is obviously confirmed. The ferroelectric switching at room temperature could be clearly demonstrated, whereas leakage of films requires generally a more sophisticated approach. / Die fundamentalen Eigenschaften von hexagonalen multiferroischen HoMnO3 Schichten werden eingehend untersucht. Die dünnen Schichten wurden mittels gepulster Laserdeposition auf Y:ZrO2(111)-Substraten gewachsen. Hochwertige epitaktische HoMnO3-Dünnschichten von 25 { 1000 nm Dicke wurden erfolgreich hergestellt. Die Dünnschichteigenschaften werden mit denen von Einkristallen verglichen. Die Magnitisierungsmessungen ergeben, dass die dünnen Schichten ein von den Einkristallen in verschiedener Weise abweichendes magnetischen Verhalten zeigen. Zum Beispiel haben die dünnen Schichten eine abgeschwächte antiferromagntetische Ho3+ Ordnung, die durch die magnetische Suszeptibilität bestätigt wird. Die Unterschiede sind wahrscheinlich auf die veränderten (meistens grösseren) Gitterparameter der dünnen Schichten zurückzuführen. Ein Phasendiagramm wird zum Vergleich mit Einkristallen konstruiert. Durch Second Harmonic Generation (SHG; in Zusammenarbeit mit der Gruppe von M. Fiebig) wird die ferroelektrische Ordnung der dünnen Schichten eindeutig bestätigt. Das ferroelektrische Umschalten bei Raumtemperatur kann eindeutig nachgewiesen werden, wobei durch den Leckstrom der dünnen Schichten allgemein eine detailliertere Vorgehensweise benötigt wird.

Die vorliegende Arbeit präsentiert die ersten detaillierten Untersuchungen des Spin-Reorientierungs-Übergangs in epitaktischen NdCo5-Schichten. Die Proben, die mit gepulster Laserdeposition hergestellt wurden, konnten sowohl als in-plane- als auch als out-of-plane-texturierte Schichten präpariert werden. Für beide Wachstumsvarianten ergaben Röntgendiffraktometrie- und Texturmessungen eine sehr gute Texturierung mit einer nahezu einheitlichen Orientierung der c-Achse, die eine Untersuchung der magnetischen Eigenschaften entlang ausgewählter kristallografischer Richtungen ermöglichte. Die globalen Magnetisierungsmessungen der In-plane-Proben zeigten einen Spin-Reorientierungs-Übergang von einer magnetisch leichten c-Achse für Temperaturen oberhalb von 310 K über einen magnetisch leichten Kegel hin zu einer magnetisch leichten Ebene (a-Achse) unterhalb von 255 K. Die Übergangstemperaturen liegen damit geringfügig über den bisher an Massivproben gemessenen Werten. Aus den magnetischen Hysteresemessungen wurden die magnetokristallinen Anisotropiekonstanten erster und zweiter Ordnung für den Temperaturbereich der magnetisch leichten c-Achse und der magnetisch leichten Ebene ermittelt. Die Untersuchungen der Out-of-plane-Proben wiesen die Existenz einer magnetokristallinen Anisotropie höherer als zweiter Ordnung nach. Sie bewirkt ein unterschiedliches Schaltverhalten der parallel zur a- bzw. b-Achse gemessenen magnetischen Hysteresekurven im Temperaturregime der magnetisch leichten Ebene. Für die in-plane-texturierten Schichten wurde das Domänenmuster und dessen Änderung mit der Temperatur im gesamten Spin-Reorientierungs-Bereich analysiert. Diese Untersuchungen basieren auf in Kooperation mit der Universität Hamburg durchgeführten SEMPA-Messungen. Oberhalb von 318 K liegt eine Zweidomänenkonfiguration mit einer Ausrichtung der Magnetisierung parallel zur c-Achse vor, die beim Abkühlen in das Regime des magnetisch leichten Kegels in einen Vierdomänenzustand übergeht. Unterhalb von 252 K bildet sich eine Zweidomänenkonfiguration mit parallel zur a-Achse orientierter Magnetisierung. Diese lokalen Messungen bestätigten den Spin-Reorientierungs-Übergang mit zu den globalen Magnetisierungsmessungen vergleichbaren Übergangstemperaturen. Für charakteristisch orientierte Domänenwände erfolgten genauere Analysen der Magnetisierungsprozesse in den angrenzenden Domänen. Um ein erweitertes Verständnis der Domänenkonfiguration, deren Temperaturabhängigkeit und der vorhandenen Domänenwände zu erarbeiten, erfolgten mikromagnetische Simulationsrechnungen für ausgewählte Temperaturen. Die Berechnungen wurden sowohl für homogene Systeme als auch für Geometrien mit verschiedenen Pinningzentren durchgeführt. Die Analyse der Domänenwände ergab, dass ihr Bloch- oder Néel-Charakter und die Domänenwandweite von der Temperatur sowie ihrer Ausrichtung parallel zur c- oder a-Achse abhängt. / This thesis presents the first detailed investigation of the spin-reorientation-transition in epitaxial NdCo5 thin films. The samples were prepared by pulsed laser deposition as in-plane or out-of-plane textured films. For both kinds of samples X-ray diffraction and texture measurements revealed a high degree of texture with one common orientation of the c-axis within the film, which allowed an investigation of the magnetic properties along distinct crystallographic directions. Global magnetization measurements of the in-plane textured films showed a spin-reorientation from a magnetic easy axis (c-axis) at temperatures above 310 K via a magnetic easy cone to a magnetic easy plane (a-axis) at temperatures below 255 K. The transition temperatures are slightly higher than values reported for bulk samples. The magnetocrystalline anisotropy constants of first and second order were determined for the regime of the magnetic easy axis and plane. Measurements of the out-of-plane textured films verified the existence of a magnetocrystalline anisotropy of order larger than two, which becomes obvious from a different magnetic switching behavior along the a- and b-axis in the temperature regime of the magnetic easy plane. The domain structure and its changes with temperature were investigated for the in-plane textured films. There exists a two domain state at temperatures above 318 K with an orientation of the magnetization parallel to the c-axis from which a four domain state evolves when cooling down the sample to the easy cone state. Finally, a two domain state exists in the regime of the magnetic easy plane (easy a-axis) with an orientation of the magnetization parallel to the a-axis at temperatures below 252 K. The local measurements confirm the spin-reorientation-transition with transition temperatures comparable to those derived from global magnetization measurements. In addition, a detailed analysis of the magnetization processes for some characteristically oriented domain walls was performed. Micromagnetic simulations were carried out for selected temperatures to achieve a deeper understanding of the temperature dependence of the domain configuration and of the domain walls. The simulations considered homogeneous systems as well as systems with pinning centers. An analysis of the domain walls showed that their character and width depend on temperature and the orientation parallel to the a- or c-axis.

<div>Laser-to-composite interactions are becoming increasingly common in diverse applications such as diagnostics, fabrication and machining, and weapons systems. Lasers are capable of not only performing non-contact diagnostics, but also inducing seemingly imperceptible structural damage to materials. In safety-critical venues like aerospace, automotive, and civil infrastructure where composites are playing an increasingly prominent role, it is desirable to have means of sensing laser exposure on a composite material. Self-sensing materials may be a powerful method of addressing this need. Herein, we present an exploratory study on the potential of using changes in electrical measurements as a way of detecting laser exposure to a carbon nanofiber (CNF)-modified glass fiber/epoxy laminate. CNFs were dispersed in liquid epoxy resin prior to laminate fabrication via hand layup. The dispersed CNFs form a three-dimensional conductive network which allows for electrical measurements to be taken from the traditionally insulating glass fiber/epoxy material system. It is expected that damage to the network will disrupt the electrical pathways, thereby causing the material to exhibit slightly higher resistance. To test laser sensing capabilities, a resistance baseline of the CNF-modified glass fiber/epoxy specimens was first established before laser exposure. These specimens were then exposed to an infra-red laser operating at 1064 nm, 35 kHz, and pulse duration of 8 ns. The specimens were irradiated for a total of 20 seconds (4 exposures each at 5 seconds). The resistances of the specimens were then measured again post-ablation. In this study, it was found that for 1.0 wt.% CNF by weight the average resistance increased by about 18 percent. However, this values varied for specimens with different weight fractions. This established that the laser was indeed causing damage to the specimen sufficient to evoke a change in electrical properties. In order to expand on this result, electrical impedance tomography (EIT) was employed for localization of laser exposures of 1, 3, and 5 seconds on a larger specimen, a 3.25” square plate. EIT was used to measure the changes in conductivity after each exposure. EIT was not only successful in detecting damage that was virtually imperceptible to the human-eye, but it also accurately localized the exposure sites. The post-ablation conductivity of the exposure sites decreased in a manner that was comparable to the resistance increase obtained during prior testing. Based on this preliminary study, this research could lead to the development of a real-time exposure detection and tracking system for the measurement, fabrication, and defense industries.</div>

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden planare und drahtförmige Heterostrukturen (HS) mit ZnO- und ZnCdO-Quantengräben bezüglich ihrer Lumineszenz untersucht. Die Proben wurden mit der gepulsten Laserabscheidung (PLD) hergestellt. Bei ZnO-basierten drahtförmigen HS mit Durchmessern im Mikro- und Nanometer-Bereich handelt es sich um vielversprechende Kandidaten für miniaturisierte optoelektronische Bauelemente. Da es für viele Anwendungen notwendig ist, dass die Emission des Quantengrabens (QW) in einem breiten Spektralbereich eingestellt werden kann, muss die ZnO-Bandlücke möglichst stark verändert werden können. Durch ZnCdO und MgZnO ist dies möglich. Durch eine Optimierung der Abscheideparameter wurde der für PLD erreichte maximale Cd-Gehalt signifikant auf 0,25 erhöht. Große Mg-Gehalte konnten schon vor der Forschung zur vorliegenden Arbeit mit der PLD realisiert werden. Die planaren HS mit ZnO-Quantengräben wurden vorrangig bezüglich Ihrer Lumines-zenzeigenschaften untersucht. Aufgrund der Orientierung der QW sollten diese zusätzlich zum Quantum-Confinement Effekt den Quantum-Confined Stark Effect (QCSE) zeigen. Der QCSE wurde durch zeitabhängige und anregungsabhängige Lumineszenzmessungen nachgewiesen. In den Mikrodraht (µW)- bzw. Nanodraht (NW)-HS mit ZnO-QW wurde die Emission zwischen 3,4 eV und 3,6 eV bzw. 3,4 eV und 3,7 eV eingestellt. Um HS mit ZnCdO-QW herstellen zu können, war es notwendig, die strukturellen und optischen Eigenschaften sowie die elektronische Struktur von ZnCdO-Dünnfilmen zu untersuchen. Durch einen hohen Cd-Gehalt von 0,25 war es möglich, die Bandlücken-energie um 0,8 eV zu verringern. In planaren HS wurde ZnO bzw. MgZnO als Barriere verwendet und die QW-Emission zwischen 2,5 eV und 3,1 eV bzw. 2,5 eV und 3,65 eV eingestellt. Es wurde untersucht, ob für HS mit ZnCdO-QW ein QCSE auftritt. Die experimentellen Energien wurden dazu mit berechneten Werten verglichen, die mithilfe einer Effektiv-Masse-Näherung und dem Modell eines endlich tiefen Potentialtopfes bestimmt wurden. In entsprechenden µW- bzw. NW-HS wurde die QW-Emission infolge des Quantum-Confinement Effektes zwischen 2,7 eV und 3,1 eV bzw. 2,5 eV und 3,4 eV variiert. Da es für die Anwendung von µW- und NW-HS wichtig ist, dass diese eine homogene QW-Emission zeigen, wurde deren spektrale Position entlang der Struktur und für die verschiedenen Facetten der hexagonalen Drähte untersucht. Die Homogenität der Emission ist für die µW-HS kleiner als für die NW-HS.:I Einleitung 1 II Grundlagen 5 1 Kristall- und Bandstruktur der verwendeten Materialien 7 1.1 Kristallstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2 Bandstruktur und effektive Massen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 ZnO-basierte Mikro- und Nanostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2 Lumineszenz 17 2.1 Band-Band-Übergänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2 Exzitonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3 Exziton-Polaritonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4 Lumineszenz von ZnO-Dünnfilmen und -Einkristallen . . . . . . . . . . . 21 2.5 Lumineszenz von ZnO-Mikro- und ZnO-Nanostrukturen . . . . . . . . . 25 2.6 Lumineszenz von ternären Halbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3 Quantengrabenstrukturen 29 3.1 Energieniveaus im Quantengraben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2 Exzitonenbindungsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3 Quantum-Confined Stark Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4 Hexagonale Resonatoren 43 4.1 Fabry-Pérot- und WGM-Resonatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2 Brechungsindex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 III Experimentelle Methoden 51 5 Proben 53 5.1 Herstellungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.2 Probenherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 6 Untersuchungsmethoden 61 6.1 Strukturelle Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 6.2 Optische Charakterisierung und Charakterisierung der elektronischen Struktur . . . . . . . 65 IV Ergebnisse und Diskussion 69 7 Heterostrukturen mit ZnO-Quantengräben 71 7.1 Planare Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 7.2 Mikrodraht-Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 7.3 Nanodraht-Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 8 ZnCdO/ZnO-Doppelheterostrukturen 103 8.1 Lumineszenzeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 8.2 Tempern und thermische Stabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 9 Heterostrukturen mit ZnCdO-Quantengräben 123 9.1 ZnCdO-Dünnfilme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 9.2 Planare ZnCdO/ZnO-Multiquantengrabenstrukturen . . . . . . . . . . . 133 9.3 Planare ZnCdO/MgZnO-Quantengrabenstrukturen . . . . . . . . . . . . 151 9.4 Mikrodraht-Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 9.5 Nanodraht-Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Zusammenfassung und Ausblick 179 V Anhang 185 Ausheizen eines Niedrigtemperatur-ZnO-Dünnfilmes 187 Abkürzungsverzeichnis 191 Eigene Veröffentlichungen 193 Eigene Tagungsbeiträge 195 Literaturverzeichnis 197 Danksagung 210 Selbstständigkeitserklärung 211 Lebenslauf 213

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss von Defekten auf die Eigenschaften von Ferrit-Dünnfilmen untersucht. Die Dünnfilme wurden mit Hilfe von gepulster Laserabscheidung bei verschiedenen Züchtungsparametern hergestellt. Durch Variation der Substrattemperatur und des Sauerstoffpartialdrucks wurden Dünnfilme verschiedener kristalliner Qualität gezüchtet. Diese wurden hinsichtlich ihrer chemischen Komposition mit Hilfe von energie-dispersiver Röntgenspektroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie untersucht. Durch Korrelation der Ergebnisse mit Messungen zum zirkularen magnetischen Röntgendichroismus, konnte eine partielle Inversion der Spinellstruktur nachgewiesen werden. Der Grad der Inversion ist höher für geringe Abscheidetemperaturen. Für diese defektreichen Dünnfilme zeigen Röntgenbeugungsuntersuchungen eine geringere kristalline Ordnung der Dünnfilme. Die strukturellen Defekte haben einen maßgeblichen Einfluss auf die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Ferrit-Dünnfilme. So zeigen die Ferrit-Dünnfilme für geringe Züchtungstemperaturen eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit, während Dünnfilme, die bei hohen Substrattemperaturen gezüchtet wurden, isolierend sind. Die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit kann auf thermisch aktivierte Hopping-Leitung oder die Leitung zwischen Clustern, die in einer Matrix eingebettet sind, zurückgeführt werden. Die magnetischen Eigenschaften von Zinkferrit-Dünnfilmen werden maßgeblich durch Defekte in der Spinellstruktur bestimmt, da es nominell in der normalen Spinellstruktur kristallisiert und daher antiferromagnetisch ist. Die partielle Inversion der Eisen- und Zinkionen führt zu Ferrimagnetismus in den Zinkferrit-Dünnfilmen, der mit Hilfe von SQUID-Messungen in dieser Arbeit eingehend untersucht wurde. Durch Korrelation der Ergebnisse der verschiedenen Untersuchungsmethoden konnten Rückschlüsse auf die dominierenden Defekte in den Ferrit-Dünnfilmen geschlossen werden. So sind zum einen Defekte auf atomarer Skala, wie Antisite-Defekte und divalenten Fe-Ionen für die erhöhte elektrische Leitfähigkeit und die größere Magnetisierung der defektreichen Dünnfilme verantwortlich. Zum anderen können ausgedehnte Defekte, im Speziellen Cluster, die in einer amorphen Matrix eingebettet sind, nicht ausgeschlossen werden.