Halbleiter Quantenpunkte (QP) standen in den letzten Jahren im Mittelpunkt vieler Forschungsaktivitäten im Bezug auf mögliche Anwendungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung. Durch das dreidimensional Confinement sind nur diskrete, energetisch stark separierte Zustände in einem QP möglich. Damit sind phasenzerstörende Streuprozesse unwahrscheinlicher und man kann Dekohärenzzeiten erwarten, die nur durch die Lebensdauer der Zustände limitiert sind. Materialbasis dieser Arbeit sind CdSe QP in einer ZnSe Barriere. In dieser Arbeit werden zwei Arten von Kohärenzphenomänen, die das zeitliche Verhalten solcher Quantensysteme beschreiben, mittels optischer Methoden untersucht. Im Falle optischer Kohärenz wechselwirkt ein angeregter Zustand, der strahlend mit einem Grundzustand verbunden ist, mit einem externen elektro-magnetischen Feld. Mittels phasensynchronisierter kohärenter Kontrolle werden biexzitonische und auch erste angeregte Zustände in einzelnen QP untersucht. Im Fall des angeregten Zustandes findet man optische Dephasierungszeiten unterhalb von 10 ps. Für das Biexziton kann nur eine untere Grenze bestimmt werden, die auf einer 10 ps Zeitskala liegt. Das zweite Phenomän ist die Quantenkohärenz (QK), die das Phasengedächtnis zweier Zustände im selben QP vergleicht. In dieser Arbeit wird die QK durch die Analyse von Quantenschwebungen in der Emission des Grundzustandsexzitons in einem einzelnen QP untersucht. Es wurde gefunden, dass es keine messbare Dekohärenz der beiden Unterzustände des Grundzustandsexzitons im Rahmen der strahlenden Lebensdauer von circa 300 ps gibt. Die dritte Gruppe von Experimenten beschäftigt sich mit der longitudinalen Spinrelaxationszeit einzelner Ladungsträger. Die verwendeten Proben ermöglichen den direkten Zugang zur Spindynamik einzelner Löcher. Die Experimente in der Spektral- als auch in der Zeitdomäne lieferten Spinrelaxationszeiten für Löcher von knapp 10 ns. / Semiconductor quantum dots (QD) have attracted considerable interest during the past years as possible candidates for quantum information processing. Due to the confinement potential in such structures, the density of states in a single QD is discrete. If the states are well separated in energy the coupling to the environment is expected to be smaller, implying that coherence is maintained during the exciton lifetime. In the present work CdSe in ZnSe QDs are used. Two kinds of coherence phenomena, reflecting the time evolution of such a quantum system, are studied by use of optical methods. In case of optical coherence, an excited state which is radiatively coupled to a ground state interacts with an external electro-magnetic field. The experimental technique of temporal coherent control is applied via a two photon process on the biexciton state and also by a single photon process on the excited state in a single QD. As a result optical coherence times below 10 ps are found for the excited state, while for the biexciton only a lower limit on a 10 ps timescale was elaborated. The second phenomena is quantum coherence and describes the phase memory between two states in the same QD. It is studied in this work by the analysis of the observed quantum beats in the time resolved photoluminescence emission (PL) of the ground state exciton in a single QD. As a result it was found that there is no measurable decoherence between the two substates of the ground state exciton during the exciton lifetime of about 300 ps. In a third group of experiments the longitudinal spin relaxation time is investigated on a single carrier level. The used QD sample contains charged QDs with resident electrons, which provide direct access to the separate spin dynamic of the holes. Different experiments carried out, yielding a longitudinal spin relaxation time for a single hole on a 10 ns timescale.

Halbleiter-Quantenpunkte sind Objekte in der Größenordnung von Nanometern, in denen wenige Ladungsträger in alle drei Raumrichtungen durch eine Potentialbarriere eingesperrt sind. Dies führt zu einer reduzierten Wechselwirkung mit dem Halbleiter-Gitter und zu einer diskreten Zustandsdichte. Die große Polarität der Bindung dazu, dass viele Wechselwirkungen direkt durch Spektroskopie der Photolumineszenz zu beobachten sind, was sie für die Grundlagenforschung attraktiv macht. Die ungleiche Anzahl von Elektronen und Löchern erlaubt die Untersuchung einzelner, ungepaarter Ladungsträger. Mit Hilfe der polarisationsaufgelösten Mikro-PL Spektroskopie werden Spinzustände einzelner QP reproduzierbar untersucht. Im Mittelpunkt stehen dabei Wechselwirkungen der Teilchen untereinander. Über die Anregungsspektroskopie werden höherangeregte Zustände identifiziert und charakterisiert. Die hier auftretenden Austauschwechselwirkungen führen zur Mischung zu Feinstrukturen im Spektrum. Kopplungen im angeregten Lochzustand zeigen die Möglichkeit zur optischen Orientierung des residenten Elektrons auf. Die Spinkonfiguration der Elektronen im Triplettzustand erlaubt es, die Elektron-Loch Austauschwechselwirkungen des Trions zu untersuchen. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit semimagnetischen QP. Hier sorgt die Wechselwirkung mit einer paramagnetischen Umgebung von Manganspins für neue magneto-optische Eigenschaften. Diese zeigen sich auf der Ebene einzelner QP in Form von Linienverbreiterungen durch Spinfluktuationen als auch durch den Riesen-Zeeman-Effekt am QP-Ensemble. Besonderes Augenmerk liegt hier auf dem Einfluss der reduzierten Dimensionalität und der größeren Oberflächen der QP auf die Austauschmechanismen. Die starke Temperaturabhängigkeit der Spinumgebung wird ausgenutzt, um das Spinaufheizen als auch die Spin-Gitter-Relaxationsystematisch zu studieren. Dabei wird die PL der QP als Monitor benutzt. / Semiconductor quantum dots are objects on the nanometer scale, where charge carriers are confined in all three dimensions. This leads to a reduced interaction with the semiconductor lattice and to a discrete density of states. In the examined QD in II-VI seminconductor systems the large polar character of the bindings enables to observe particle interactions by spectroscopy of the photo-luminescence, making QD attractive for basic research. An odd number of carriers allows to study the latter in an unpaired state. By using polarization-resolved micro-PL spectroscopy, the spin-states of single, isolated QD can be studied reproducibly. Of special interest are exchange interactions in this few-particle system named trion. By excitation spectroscopy energetically higher states can be identified and characterized. The exchange interactions appearing here lead to state mixing and fine structure patterns in the spectra. Couplings in excited hole states show the way to the optical orientation of the resident electron spin. The spin configuration of the trion triplet state can be used to optically control the resident electron spin. Semimagnetic QD are focused in the second part of this work. The interaction with a paramagnetic environment of manganese spins leads to new magneto-optical properties of the QD. They reveal on a single dot level by line broadening due to spin fluctuations and by the giant Zeeman effect of the dot ensemble. Of special interest in this context is the influence of the reduced system dimension and the relatively larger surface of the system on the exchange mechanisms. The strong temperature dependence of the spin environment is used to systematically study the spin-lattice relaxation. Here, the PL of the QD ensemble monitors the spin temperature. The time constants in the mu range define the range for the incoherent switching of the Mn magnetization.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Molekularstrahlepitaxie und Charakterisierung von CdSe und (Cd,Mn)Se-Quantenpunkten (QP) auf ZnSe-Puffer. Die QP werden durch einen thermisch aktivierten 2D-3D Übergang eines ursprünglich zweidimensionalen CdSe/(Cd,Mn)Se-Films erzeugt. Die Mechanismen der QP-Bildung werden in-situ mittels Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen und Atom-Kraft-Mikroskopie (UHV-AFM) studiert. Ex-situ Untersuchungen an vergrabenen QP-Strukturen mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Photolumineszenz (PL) /Magneto-PL ergänzen die in-situ Analyse der CdSe Oberfläche. Die Kombination der Analysemethoden ermöglicht erstmalig den Nachweis, dass mit der thermischen Aktivierung eine Stranski-Krastanov-Morphologie aus CdSe QP, mit einem Kern aus reinem CdSe, auf einem geschlossenen CdSe Film erzeugt werden kann. Die statistische Auswertung im UHV-AFM ergibt eine mittlere QP-Höhe von 1,6 nm, eine QP-Dichte von 1100/µm² sowie einen Durchmesser von unterhalb 10 nm. Aus diesen Parametern lässt sich als oberes Limit des QP-Volumens ein Wert von < 0,15 ML ermitteln. TEM-Messungen ergeben, dass Interdiffusion bei der Bildung der QP sowie während dem Überwachsen von untergeordneter Bedeutung ist. Im UHV-AFM zeigt sich, dass CdSe-QP unter Labormaßstäben morphologisch stabil sind. Über einen Zeitraum von 5 Tagen, sowohl im UHV als auch an Umgebungsluft, sind bei Raumtemperatur keine Reifungserscheinungen der CdSe-QP-Morphologie beobachtbar. Das Studium der Bildungskinetik führt zu der Erkenntnis, dass der 2D-3D Übergang von einem zeitlich instabilen Ausgangszustand abhängig ist und somit kinetisch determiniert. Die experimentellen Befunde deuten darauf hin, dass unmittelbar nach dem Wachstum eine Glättung der Oberfläche auf atomarer Ebene einsetzt. In einem einfachen Modell wird die QP-Bildung als Superposition der Glättung und dem Verhältnis der Wahrscheinlichkeiten des Aufwärtssprungs zum Abwärtssprung zwischen zwei ML-Terrassen beschrieben. Erste Untersuchungen zum Wachstum von (Cd,Mn)Se QP ergeben, dass es mit der thermischen Aktivierung möglich ist bis zu einer Konzentration von ca. 10 % Mn (Cd,Mn)Se QP zu erhalten. Der Einbau des Mn bewirkt eine Reduktion der mittleren QP-Dichte und QP-Höhe. Experimente auf pseudomorphem und relaxiertem ZnSe-Puffer zeigen, dass der entscheidende Einfluss des Mn nicht in der Veränderung der Verspannung liegt, sondern in einer Veränderung der Oberflächendiffusivität. In magneto-optischen Untersuchungen der (Cd,Mn)Se-QP-Strukturen wird eindeutig der Riesen-Zeemaneffekt nachgewiesen. Es werden experimentell effektive g-Faktoren bis zu einem Wert von 220 ermittelt (B = 6T). Der Vergleich mit der Rechnung zeigt, dass das Mn in den QP eingebaut ist. In dieser Arbeit wird das Verständnis der II-VI-QP-Bildung erweitert und eine verbesserte Kontrolle des QP-Ensembles erreicht. Die erzeugten semimagnetischen Strukturen stellen einen Ausgangspunkt für weitergehende optische Experimente dar, an denen in naher Zukunft gezielt einzelne Spins manipuliert und studiert werden können. / In this work CdSe and (Cd,Mn)Se Quantum Dots (QD`s) are grown on ZnSe by molecular beam epitaxy. The QD`s are obtained within a thermicall activated 2D-3D transition of an initially two-dimensional CdSe/(Cd,Mn)Se thin film. The physics behind the 2D-3D transition is investigated in-situ by reflection of high energy electron diffraction and atomic force microscopy (UHV-AFM) measurements. Additionally ex-situ data gained on buried QD structures within Transmission Electron Microscopy (TEM) and Photoluminescence (PL) /Magneto-PL measurements are presented. The study proves for the first time that after the thermal activation a Stranski-Krastanov morphology is established. A statistical evaluation of the QD morphology by UHV-AFM supplies an average QD-height of about 1.6 nm, a QD-density of about 1100/µm² and an upper diameter of about 10 nm. The total QD volume is determined to a value of below 0.15 ML. TEM on overgrown structures reveals QD`s, with a core of pure CdSe, on a closed wetting layer. The data show that interdiffusion is of minor importance for the QD formation as well as during the overgrowth. The stability of the QD morphology is investigated with the UHV-AFM at room temperature. It is shown that the CdSe QD morphology is stable at UHV as well as ambient-air conditions over a time period of 5 days. The experiments demonstrate that CdSe QD`s do not ripen on a laboratory time scale. The investigation of the formation kinetics reveals that the 2D-3D transition is dependent from a unstable precursor state and is therefore determined by kinetics. The experiments indicate that immediately after growth the surface begins to smoothen on an atomar scale. In a simple model the QD formation is described as a superposition of the smoothening and the ratio of upwards and downwards hopping between two ML terraces. First investigations on the growth of (Cd,Mn)Se QD`s show that after the incorporation of up to 10 % Mn semimagnetic QD´s are obtained by the thermal activation. The incorporation of Mn leads to a reduction of the average QD density and QD height. Experiments on pseudomorphic and relaxed ZnSe buffer are compared. It is concluded that strain is not a crucial factor for the QD formation and that probably surface processes like diffusibility of the atomic species play an important role. Magneto-optical investigations of the (Cd,Mn)Se QD structures prove the appearance of the giant-Zeemaneffect. Effective g-values of about 220 have been measured (B = 6T). In a comparison with the calculation the incorporation of Mn into the QD`s is concluded. Within this work the comprehension of the II-VI QD formation is extended and an improved control over the QD morphology is reached. The produced semimagnetic QD structures appear as a starting point for future optical investigations concerning the control of single spins.

This thesis addresses the syntheses towards high quality CdSe and CdTe nanoparticles. Therefore, thermodynamic and kinetic aspects of the hot injection method are investigated. By means of the introduction of a thermodynamically less favored nuclei species the nucleation event of CdSe quantum dot synthesis is affected. Utilizing highly reactive tin or lithium silylamides, primarily formed SnSe or Li2Se nuclei undergo a cation exchange to the demanded CdSe particles. The further growth proceeds without the incorporation of the so called quasi-seed species. In this manner, the mechanism of the cation exchange-mediated nucleation is proven and optimized with respect to the required amount of the quasi-seed species. Furthermore, this protocol is applied to up-scaling attempts to reduce the efforts for optimization to a minimum. Following this, a successful laboratory batch up-scaling is achieved by increasing flask size as well as precursor concentrations by factors of 2 and 10, respectively. A further possibility to thermodynamically influence the hot injection synthesis is the activation of the precursor species. By altering the injection pathway, as compared to the standard synthesis, the precursor species are differently coordinated and hence possess different thermodynamic stabilities. Investigations on the system of CdTe quantum dots lead to the result of a cation activation by the use of the thermodynamically less stable carboxylate ligands instead of phosphonates. Additionally, anion activation is suggested due to a kind of aging of the phosphine ligands via their oxidation by phosphonic acids. Furthermore, it is found that the ratio of Cd-to-Te strongly influences the formation of so called magic-sized clusters. Following the results, the smallest detectable species is determined as a cluster species with a size of 1.8 nm. The role of the magic-sized clusters is not fully resolved, but the initial growth is assumed to occur via monomer deposition onto or the fusion of the observed clusters. On the other hand, cluster dissolution is thermodynamically forced by the decreasing monomer concentration and can simply be explained by the process of Ostwald ripening via the creation of a smaller cluster species. Mechanistically this is explained by the formation of configurational deviations from the ideal closed-shell structure. Finally the inorganic coating of the core quantum dots in investigated. Therefore, homoepitaxial coating is employed to overcome the limit in particle size by introducing additional monomer supply. As a result, following the classical crystallization theory, defined injections of precursor material during the diffusion limited growth regime allow a fine tuning of the final particle size. Nevertheless, homoepitaxial coating inevitably leads to photoluminescence quenching, whereas heteroepitaxial growth usually improves the optical quality. By means of a type I structure, CdSe/CdS/ZnS, the successive ion layer adsoption and reaction mechanism is discussed. Furthermore, alloy structures of CdSe/ZnSe with a radially gradated intermediate shell of CdZnSe are achieved by postsynthetic high temperature treatments. This annealing induces internal diffusion processes and allows exactly adjusting the emission wavelength due to defined shrinkage of the initial core size during the alloying process.

Near-field optical microscopy has attracted remarkable attention, as it is the only technique that allows the investigation of local optical properties with a resolution far below the diffraction limit. Especially, the scattering-type near-field optical microscopy allows the nondestructive examination of surfaces without restrictions to the applicable wavelengths. However, its usability is limited by the availability of appropriate light sources. In the context of this work, this limit was overcome by the development of a scattering-type near-field microscope that uses a widely tunable free-electron laser as primary light source. In the theoretical part, it is shown that an optical near-field contrast can be expected when materials with different dielectric functions are combined. It is derived that these differences yield different scattering cross-sections for the coupled system of the probe and the sample. Those cross-sections define the strength of the near-field signal that can be measured for different materials. Hence, an optical contrast can be expected, when different scattering cross-sections are probed. This principle also applies to vertically stacked or even buried materials, as shown in this thesis experimentally for two sample systems. In the first example, the different dielectric functions were obtained by locally changing the carrier concentration in silicon by the implantation of boron. It is shown that the concentration of free charge-carriers can be deduced from the near-field contrast between implanted and pure silicon. For this purpose, two different experimental approaches were used, a non-interferometric one by using variable wavelengths and an interferometric one with a fixed wavelength. As those techniques yield complementary information, they can be used to quantitatively determine the effective carrier concentration. Both approaches yield consistent results for the carrier concentration, which excellently agrees with predictions from literature. While the structures of the first system were in the micrometer regime, the capability to probe buried nanostructures is demonstrated at a sample of indium arsenide quantum dots. Those dots are covered by a thick layer of gallium arsenide. For the first time ever, it is shown experimentally that transitions between electron states in single quantum dots can be investigated by near-field microscopy. By monitoring the near-field response of these quantum dots while scanning the wavelength of the incident light beam, it was possible to obtain characteristic near-field signatures of single dots. Near-field contrasts up to 30 % could be measured for resonant excitation of electrons in the conduction band of the indium arsenide dots. / Die optische Nahfeldmikroskopie hat viel Beachtung auf sich gezogen, da sie die einzige Technologie ist, welche die Untersuchung lokaler optischer Eigenschaften mit Auflösungen unterhalb der Beugungsgrenze ermöglicht. Speziell die streuende Nahfeldmikroskopie erlaubt die zerstörungsfreie Untersuchung von Oberflächen ohne Einschränkung der verwendbaren Wellenlängen. Die Nutzung ist jedoch durch das Vorhandensein entsprechender Lichtquellen beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde diese Beschränkung durch Entwicklung eines streuenden Nahfeldmikroskops überwunden, das einen weit stimmbaren Freie-Elektronen-Laser als primäre Lichtquelle benutzt. Im theoretischen Teil wird gezeigt, dass ein optischer Kontrast erwartet werden kann, wenn Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten kombiniert werden. Es wird hergeleitet, dass diese Unterschiede in unterschiedlichen Streuquerschnitten für das gekoppelte System aus Messkopf und Probe resultieren. Diese Streuquerschnitte definieren die Stärke des Nahfeldsignals, welches auf unterschiedlichen Materialien gemessen werden kann. Ein optischer Kontrast kann also erwartet werden, wenn unterschiedliche Streuquerschnitte untersucht werden. Dass dieses Prinzip auch auf übereinander geschichtete oder sogar verborgene Strukturen angewendet werden kann, wird in dieser Doktorarbeit an zwei Probensystemen experimentell gezeigt. Im ersten Beispiel wurden die unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten durch örtliches Ändern der Ladungsträgerdichte in Silizium durch Bor-Implantation erreicht. Es wird gezeigt, dass die Dichte der freien Ladungsträger an Hand des optischen Kontrastes zwischen implantiertem und reinem Silizium ermittelt werden kann. Zu diesem Zweck wurden zwei unterschiedliche Ansätze verwendet, ein nicht-interferometrischer mittels variabler Wellenlängen und ein interferometrischer mit einer konstanten Wellenlänge. Weil diese Techniken gegensätzliche Informationen liefern, können sie genutzt werden, um die effektive Ladungsträgerdichte quantitativ zu bestimmen. Beide Ansätze lieferten konsistente Resultate für die Trägerdichte, welche sehr gut mit den Vorhersagen der Literatur übereinstimmt. Während die Strukturen im ersten Beispiel im Mikrometer-Bereich lagen, wird die Möglichkeit, verborgene Nanostrukturen zu untersuchen, an Hand einer Probe mit Indiumarsenid Quantenpunkten demonstriert. Diese sind von einer dicken Schicht Galliumarsenid bedeckt. Zum ersten Mal wird experimentell gezeigt, dass Übergänge zwischen Elektronenzuständen in einzelnen Quantenpunkten mit Nahfeldmikroskopie untersucht werden können. Durch die Messung der Nahfeld-Antwort der Quantenpunkte unter Änderung der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes war es möglich, charakteristische Nahfeld-Signaturen der einzelnen Quantenpunkte zu erhalten. Nahfeld-Kontraste bis zu 30 Prozent konnten für die resonante Anregung der Elektronen im Leitungsband der Indiumarsenid Punkte beobachtet werden.

In dieser Promotionsarbeit wird der Quad-Color FluoroSpot (QCF) vorgestellt, welcher die Bestimmung der Frequenz von DENV-Serotyp-spezifischen und DENV- Serotyp-kreuzreaktiven B-Zellen auf Einzelzellbasis ermöglicht. Das vorgestellte Verfahren erlaubt die umfassende Analyse der spezifischen B-Zellantwort, so wie sie sich während einer primären oder sekundären DENV-Infektion bzw. nach einer Dengueimpfung entwickelt. Außerdem ermöglicht der QCF die Beurteilung, ob die DENV-Serotypspezifität bzw. -kreuzreaktivität von B-Zellen als Surrogatmarker für Immunschutz bei DENV-Infizierten bzw. in Studien, welche Dengueimpfstoff- kandidaten testen, relevant ist. Außerdem kann das Verfahren durch die Anpassung des verwendeten Antigens auch zur Beurteilung der B-Zellantwort, so wie sie sich nach einer Infektion mit anderen Erregern wie HIV oder Influenzavirus entwickelt, Anwendung finden. / Dengue is a major public health problem globally. It is caused by four antigenically distinct serotypes of dengue virus (DENV1-4), and although serotype-specific and strongly neutralizing cross-reactive immune responses against the four DENV serotypes are thought to be protective, subneutralizing Abs can contribute to increased disease severity upon secondary infection with a different DENV serotype. Understanding the breadth of the immune response in natural DENV infections and in vaccinees is crucial for determining the correlates of protection or disease severity. Transformation of B cell populations to generate mAbs and ELISPOT assays have been used to determine B cell and Ab specificity to DENV; however, both methods have technical limitations. We therefore modified the conventional ELISPOT to develop a Quad-Color FluoroSpot to provide a means of examining B cell/Ab serotype specificity and cross-reactivity on a single-cell basis. Abs secreted by B cells are captured by an Fc-specific Ab on a filter plate. Subsequently, standardized concentrations of all four DENV serotypes are added to allow equal stoichiometry for Ag binding. After washing, the spots, representing individual B cells, are visualized using four fluorescently labeled DENV serotype-specific detection mAbs. This method can be used to better understand the breadth and magnitude of B cell responses following primary and secondary DENV infection or vaccination and their role as immune correlates of protection from subsequent DENV infections. Furthermore, the Quad-Color FluoroSpot assay can be applied to other diseases caused by multiple pathogen serotypes in which determining the serotype or subtype-specific B cell response is important.

The application of electrochemical methods for the characterization of colloidal quantum dots (QDs) attracts considerable attention as these methods may allow for monitoring of some crucial parameters, such as energetic levels of conduction and valence bands as well as surface traps and ligands under real conditions of colloidal solution. In the present work we extend the applications of cyclic voltammetry (CV) to in situ monitoring of degradation processes of water-soluble CdTe QDs. This degradation occurs under lowering of pH to the values around 5, i.e. under conditions relevant to bioimaging applications of these QDs, and is accompanied by pronounced changes of their photoluminescence. Observed correlations between characteristic features of CV diagrams and the fluorescence spectra allowed us to propose mechanisms responsible for evolution of the photoluminescence properties as well as degradation pathway of CdTe QDs at low pH.

Increasing the integration density of electron device components will necessitate the use of new nanofabrication paradigms that complement and extend existing technologies. One potential approach to overcome the current limitations of electron-beam lithography may involve the use of hybrid systems, in which existing lithographic techniques are coupled with “bottom up” approaches such as supramolecular self-assembly. In this respect, biological systems offer some unique possibilities as they combine both self-organization and spatial patterning at the nanometer length scale. In particular, Surface Layer Proteins (S-layers) can facilitate high order organization and specific orientation of inorganic structures as they are two-dimensional porous crystalline membranes with regular structure at the nanometer scale. In this framework, the aim of the present work was the characterization of the S-layer of Sporosarcina ureae ATCC 13881 (SslA) with respect to its self-assembling properties and modification that would allow it to be employed as a patterning element and a new building block for nanobiotechnology. In vitro recrystallization experiments have shown that wild type SslA self-assembles into monolayers, multilayers or tubes. Factors such as initial monomer concentration, Ca2+ ions, pH of the recrystallization buffer and the presence of a silicon substrate have a strong influence on the recrystallization process. SslA monolayers proved to be an excellent biotemplate for ordered assembly of gold nanoparticle arrays. The recombinant SslA after expression and purification formed micrometer sized, crystalline monolayers exhibiting the same lattice structure as the wild type protein (p4 symmetry). This remarkable property of self-assembling has been preserved even when SslA was truncated. The deletion of both, N- and C-terminal SslA domains does not hinder self-assembly; the resulting protein is able to form extended monolayers that exhibit the p4 lattice symmetry. The central SslA-domain is self sufficient for the self-assembly. The possibility to change the natural properties of S-layers by genetic engineering techniques opens a new horizon for the tuning of their structural and functional features. The SslA-streptavidin fusion protein combines the remarkable property of self-assembling with the ligand i.e. biotin binding function. On silicon wafers, this chimeric protein recrystallized into coherent protein layers and exposes streptavidin, fact demonstrated by binding studies using biotinylated quantum dots. In this way, it can serve as a functional surface for controlled immobilization of biologically active molecules but also as a platform for the synthesis of planar arrays of quantum dots. Furthermore, the results open up exciting possibilities for construction of hybrid S-layers, structures that may ultimately promote the fabrication of miniaturized, nanosized electronic devices.

Near-field optical microscopy has attracted remarkable attention, as it is the only technique that allows the investigation of local optical properties with a resolution far below the diffraction limit. Especially, the scattering-type near-field optical microscopy allows the nondestructive examination of surfaces without restrictions to the applicable wavelengths. However, its usability is limited by the availability of appropriate light sources. In the context of this work, this limit was overcome by the development of a scattering-type near-field microscope that uses a widely tunable free-electron laser as primary light source. In the theoretical part, it is shown that an optical near-field contrast can be expected when materials with different dielectric functions are combined. It is derived that these differences yield different scattering cross-sections for the coupled system of the probe and the sample. Those cross-sections define the strength of the near-field signal that can be measured for different materials. Hence, an optical contrast can be expected, when different scattering cross-sections are probed. This principle also applies to vertically stacked or even buried materials, as shown in this thesis experimentally for two sample systems. In the first example, the different dielectric functions were obtained by locally changing the carrier concentration in silicon by the implantation of boron. It is shown that the concentration of free charge-carriers can be deduced from the near-field contrast between implanted and pure silicon. For this purpose, two different experimental approaches were used, a non-interferometric one by using variable wavelengths and an interferometric one with a fixed wavelength. As those techniques yield complementary information, they can be used to quantitatively determine the effective carrier concentration. Both approaches yield consistent results for the carrier concentration, which excellently agrees with predictions from literature. While the structures of the first system were in the micrometer regime, the capability to probe buried nanostructures is demonstrated at a sample of indium arsenide quantum dots. Those dots are covered by a thick layer of gallium arsenide. For the first time ever, it is shown experimentally that transitions between electron states in single quantum dots can be investigated by near-field microscopy. By monitoring the near-field response of these quantum dots while scanning the wavelength of the incident light beam, it was possible to obtain characteristic near-field signatures of single dots. Near-field contrasts up to 30 % could be measured for resonant excitation of electrons in the conduction band of the indium arsenide dots. / Die optische Nahfeldmikroskopie hat viel Beachtung auf sich gezogen, da sie die einzige Technologie ist, welche die Untersuchung lokaler optischer Eigenschaften mit Auflösungen unterhalb der Beugungsgrenze ermöglicht. Speziell die streuende Nahfeldmikroskopie erlaubt die zerstörungsfreie Untersuchung von Oberflächen ohne Einschränkung der verwendbaren Wellenlängen. Die Nutzung ist jedoch durch das Vorhandensein entsprechender Lichtquellen beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde diese Beschränkung durch Entwicklung eines streuenden Nahfeldmikroskops überwunden, das einen weit stimmbaren Freie-Elektronen-Laser als primäre Lichtquelle benutzt. Im theoretischen Teil wird gezeigt, dass ein optischer Kontrast erwartet werden kann, wenn Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten kombiniert werden. Es wird hergeleitet, dass diese Unterschiede in unterschiedlichen Streuquerschnitten für das gekoppelte System aus Messkopf und Probe resultieren. Diese Streuquerschnitte definieren die Stärke des Nahfeldsignals, welches auf unterschiedlichen Materialien gemessen werden kann. Ein optischer Kontrast kann also erwartet werden, wenn unterschiedliche Streuquerschnitte untersucht werden. Dass dieses Prinzip auch auf übereinander geschichtete oder sogar verborgene Strukturen angewendet werden kann, wird in dieser Doktorarbeit an zwei Probensystemen experimentell gezeigt. Im ersten Beispiel wurden die unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten durch örtliches Ändern der Ladungsträgerdichte in Silizium durch Bor-Implantation erreicht. Es wird gezeigt, dass die Dichte der freien Ladungsträger an Hand des optischen Kontrastes zwischen implantiertem und reinem Silizium ermittelt werden kann. Zu diesem Zweck wurden zwei unterschiedliche Ansätze verwendet, ein nicht-interferometrischer mittels variabler Wellenlängen und ein interferometrischer mit einer konstanten Wellenlänge. Weil diese Techniken gegensätzliche Informationen liefern, können sie genutzt werden, um die effektive Ladungsträgerdichte quantitativ zu bestimmen. Beide Ansätze lieferten konsistente Resultate für die Trägerdichte, welche sehr gut mit den Vorhersagen der Literatur übereinstimmt. Während die Strukturen im ersten Beispiel im Mikrometer-Bereich lagen, wird die Möglichkeit, verborgene Nanostrukturen zu untersuchen, an Hand einer Probe mit Indiumarsenid Quantenpunkten demonstriert. Diese sind von einer dicken Schicht Galliumarsenid bedeckt. Zum ersten Mal wird experimentell gezeigt, dass Übergänge zwischen Elektronenzuständen in einzelnen Quantenpunkten mit Nahfeldmikroskopie untersucht werden können. Durch die Messung der Nahfeld-Antwort der Quantenpunkte unter Änderung der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes war es möglich, charakteristische Nahfeld-Signaturen der einzelnen Quantenpunkte zu erhalten. Nahfeld-Kontraste bis zu 30 Prozent konnten für die resonante Anregung der Elektronen im Leitungsband der Indiumarsenid Punkte beobachtet werden.

This thesis addresses the syntheses towards high quality CdSe and CdTe nanoparticles. Therefore, thermodynamic and kinetic aspects of the hot injection method are investigated. By means of the introduction of a thermodynamically less favored nuclei species the nucleation event of CdSe quantum dot synthesis is affected. Utilizing highly reactive tin or lithium silylamides, primarily formed SnSe or Li2Se nuclei undergo a cation exchange to the demanded CdSe particles. The further growth proceeds without the incorporation of the so called quasi-seed species. In this manner, the mechanism of the cation exchange-mediated nucleation is proven and optimized with respect to the required amount of the quasi-seed species. Furthermore, this protocol is applied to up-scaling attempts to reduce the efforts for optimization to a minimum. Following this, a successful laboratory batch up-scaling is achieved by increasing flask size as well as precursor concentrations by factors of 2 and 10, respectively. A further possibility to thermodynamically influence the hot injection synthesis is the activation of the precursor species. By altering the injection pathway, as compared to the standard synthesis, the precursor species are differently coordinated and hence possess different thermodynamic stabilities. Investigations on the system of CdTe quantum dots lead to the result of a cation activation by the use of the thermodynamically less stable carboxylate ligands instead of phosphonates. Additionally, anion activation is suggested due to a kind of aging of the phosphine ligands via their oxidation by phosphonic acids. Furthermore, it is found that the ratio of Cd-to-Te strongly influences the formation of so called magic-sized clusters. Following the results, the smallest detectable species is determined as a cluster species with a size of 1.8 nm. The role of the magic-sized clusters is not fully resolved, but the initial growth is assumed to occur via monomer deposition onto or the fusion of the observed clusters. On the other hand, cluster dissolution is thermodynamically forced by the decreasing monomer concentration and can simply be explained by the process of Ostwald ripening via the creation of a smaller cluster species. Mechanistically this is explained by the formation of configurational deviations from the ideal closed-shell structure. Finally the inorganic coating of the core quantum dots in investigated. Therefore, homoepitaxial coating is employed to overcome the limit in particle size by introducing additional monomer supply. As a result, following the classical crystallization theory, defined injections of precursor material during the diffusion limited growth regime allow a fine tuning of the final particle size. Nevertheless, homoepitaxial coating inevitably leads to photoluminescence quenching, whereas heteroepitaxial growth usually improves the optical quality. By means of a type I structure, CdSe/CdS/ZnS, the successive ion layer adsoption and reaction mechanism is discussed. Furthermore, alloy structures of CdSe/ZnSe with a radially gradated intermediate shell of CdZnSe are achieved by postsynthetic high temperature treatments. This annealing induces internal diffusion processes and allows exactly adjusting the emission wavelength due to defined shrinkage of the initial core size during the alloying process.