The focus of this work is the integration of alkali vapor atomic vapor cells into common silicon wafer microfabrication processes. Such integrated platforms enable the study of quantum coherence effects such as electromagnetically induced transparency, which can in turn be used to demonstrate slow light. Slow and stopped light devices have applications in the optical communications and quantum computing fields. This project uses hollow core anti-resonant reflecting optical waveguides (ARROWs) to build such slow light devices. An explanation of light-matter interactions and the physics of slow light is first provided, as well as a detailed overview of the fabrication process. Following the discovery of a vapor transport issue, a custom capillary-based testing platform is developed to quantify the effect of confinement, temperature, and wall coatings on rubidium transport. A mathematical model is derived from the experimental results and predicts long transport times. A new design methodology is presented that addresses the transport problem by increasing the number of rubidium entry points. This design also improves chip durability and decreases environmental susceptibility through the use of a single copper reservoir and buried channel waveguides (BCWs). New chips are successfully fabricated, loaded, and monitored for rubidium spectra. Absorption is observed in several chips and absorption peaks depths in excess of 10% are reported. The chip lifetime remains comparable to previous designs. This new design can be expanded to a multi-core platform suitable for slow and stopped light experimentation.

The author presents the successful development of an on-chip, monolithic, integrated rubidium vapor-cell. These vapor-cells integrate ridge waveguide techniques with hollow-core waveguiding technology known as Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguides (ARROWs). These devices are manufactured on-site in BYU's Integrated Microelectronic Laboratory (IML) using common silicon wafer microfabrication techniques. The ARROW platform fabrication is outlined, but the bulk of the dissertation focuses on novel packaging techniques that allow for the successful introduction and sealing of rubidium vapor into these micro-sized vapor-cells. The unique geometries and materials utilized in the ARROW platform render common vapor-cell sealing techniques unusable. The development of three generations of successful vapor-cells is chronicled. The sealing techniques represented in these three generations of vapor-cells include high-temperature epoxy seals, cold-weld copper crimping, variable pressure vacuum capabilities, indium solder seals, and electroplated passivation coatings. The performance of these seals are quantified using accelerated lifetime tests combined with optical spectroscopy. Finally, the successful probing of the rubidium absorption spectrum, electromagnetically induced transparency, and slow light on the ARROW-based vapor-cell platform is reported.

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This work presents theoretical background for the investigation of nanostructure formation in alkali-metal doped fullerene layers. A number of computational methods are used to describe structural transformation in the fullerene layer. They include tight-binding molecular dynamics, empirical molecular dynamics, Monte-Carlo calculations as well as other methods. The doped fullerene layers show the highest superconducting critical temperature among organic superconductors. A new electrochemical method of synthesis of potassium and rubidium fullerides has been recently developed by Professor Dunsch and coworkers in the department of electrochemistry and conductive polymers at IFW Dresden. The process of electrochemical doping is accompanied by several side effects, and one of them is nanostructure formation at the surface of the fullerene layer. In the present work an explanation is given for the nanostructure formation observed recently by scanning tunnel microscopy. The corresponding model is based on the concept of spontaneous phase separation that has been realized by kinetic Monte Carlo calculations. These calculations predict instability of initially homogeneous alkali-doped fullerene layers. Due to the significant gap in the Madelung energy formation of an alkali-poor and an alkali-reach phase is expected. The results of the Monte Carlo simulations point out that the particle size of the corresponding phases remains in the nanometer range. Interpretation of experimental data for metal deposition on fullerene substrates can be easily given in the framework of the phase separation concept as well. Metal clusters of the size order 50 to 100 nm emerge in course of electrochemical copper deposition on alkali-doped fullerene layers. The electrically conductive paths through the insulating fullerene layer are probably responsible for the inhomogeneous copper deposition under electrochemical conditions. A novel computer program has been developed in course of this work, which is designed as a distributed application. It can be used for diverse conventional and kinetic Monte Carlo calculations. / Die vorliegende Arbeit präsentiert theoretische Arbeiten, die das Ziel haben, die Nanostrukturbildung in dotierten Fullerenschichten zu verstehen. Diverse Rechenmethoden wurden verwendet, um die strukturellen Umwandlungen in der Fullerenschicht zu beschreiben. Die Tight-Binding-Molekulardynamik, die empirische Molekulardynamik und Monte-Carlo-Berechnungen sowie andere Methoden sind eingeschlossen. Die dotierten Fullerenschichten zeigen die höchste supraleitende kritische Temperatur unter den organischen Supraleitern. Eine neue elektrochemische Methode der Synthese von Kalium- und Rubidium-Fulleriden wurde vor kurzem von Professor Dunsch und Mitarbeitern in der Abteilung Elektrochemie und leitfähigen Polymere am IFW Dresden entwickelt. Der Prozess der elektrochemischen Dotierung wird von mehreren Nebenprozessen begleitet, und einer davon ist die Nanostrukturbildung an der Oberfäche der Fullerenschicht. In der vorliegenden Arbeit wird eine Erklärung für die Herausbildung der Nanostrukturen, die mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie beobachtet wurden, gegeben. Das entsprechende Modell basiert auf dem Konzept der spontanen Phasenentmischung und wird durch kinetische Monte-Carlo-Simulationen realisiert. Diese Simulationen sagen Instabilität der zunächst homogenen Alkali-dotierten Fullerenschichten voraus. Wegen des wesentlichen Unterschieds in der Madelungenergie ist die Herausbildung einer Alkalimetall-armen und einer Alkalimetall-reichen Phase zu erwarten. Die Ergebnisse der Monte-Carlo-Simulationen weisen darauf hin, dass die Teilchengröße der entsprechenden Phasen im Nanometer-Bereich bleibt. Im Rahmen des Phasenentmischungskonzepts können auch experimentelle Daten zur Metallabscheidung auf Fullerensubstraten problemlos interpretiert werden. Bei elektrochemischer Kupferabscheidung auf Alkali-dotierten Fullerenschichten entstehen Metallcluster der Größenordnung von 50 bis 100 nm. Die elektrisch leitfähige Pfade, die in einer isolierenden Matrix auftreten, sind wahrscheinlich für die ungleichmäßige Kupferabscheidung unter elektrochemischen Bedingungen verantwortlich. Ein neuartiges Computerprogramm wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt, das als eine verteilte Anwendung entworfen ist. Damit können diverse konventionelle und kinetische Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt werden.

Es werden neue Erkenntnisse über Borphosphat und Borophosphate der Haupt- und Nebengruppenmetalle vorgestellt. Neben Hydrothermalsynthesen und Feststoffreationen, die üblicherweise zur Synthese von Borophosphaten angewendet werden, haben insbesondere die solvothermalen Experimente mit Alkoholen bzw. Alkohol-Wasser-Mischungen zu neuen Ergebnissen geführt. Es wurden neue Borophosphate und Borat-Phosphate in den Systemen MxOy–B2O3–P2O5(–H2O) (M = K+, Rb+, Mg2+, Sc3+, Pr3+, Sm3+, In3+) dargestellt, weitere Verbindungen enthalten neben Mg2+ weitere Kationen der Haupt- und Nebengruppenmetalle (Ca, Sr, Ba, Mn, Fe, Co, Zn). Darüberhinaus gelang die Darstellung bislang unbekannter Scandium- und Lanthanphosphate(III) sowie von sauren Alkalimetall-Scandiumphosphaten(V). Aus Synthesen in Gegenwart von Ethylendiamin und Diazabizyklooktan wurden ferner zwei neue templatierte Scandiumphosphate mit porösen Gerüststrukturen erhalten. Die Kristallstrukturen aller Verbindungem wurden rötgenographisch anhand von Einkristallaufnahmen oder Pulverdaten aufgeklärt. Die Charakterisierung der Präparate erfolgte mit Röntgenpulverdiffraktometrie, EDX- und Elementaranalysen sowie durch Schwingungsspektroskopie und thermische Stabilitätsuntersuchungen. Zur Klassifizierung von (Metallo)borophosphaten wird eine Struktursystematik vorgeschlagen, welche Borophosphate und Metalloborophosphate entsprechend ihrer anionischen Teilstrukturen hierarchisch klassifiziert und in Analogie zur Terminologie der Silikate (nach Liebau) beschreibt. In Anlehnung an bestehende Konzepte für Boratminerale geht das Klassifizierungsschema dabei von einfachen Oligomeren aus. In einer struktursystematischen Übersicht wurden alle bis dato bekannten (Metallo)Borophosphate hierarchisch klassifiziert und sind in einer Übersicht vorgestellt. Beobachtete Verknüpfungsregeln und der Einfluss der Zusammensetzung B:P auf die Dimensionalität und die Verknüpfungsmuster der anionischen Teilstruktur werden diskutiert.

Es werden neue Erkenntnisse über Borphosphat und Borophosphate der Haupt- und Nebengruppenmetalle vorgestellt. Neben Hydrothermalsynthesen und Feststoffreationen, die üblicherweise zur Synthese von Borophosphaten angewendet werden, haben insbesondere die solvothermalen Experimente mit Alkoholen bzw. Alkohol-Wasser-Mischungen zu neuen Ergebnissen geführt. Es wurden neue Borophosphate und Borat-Phosphate in den Systemen MxOy–B2O3–P2O5(–H2O) (M = K+, Rb+, Mg2+, Sc3+, Pr3+, Sm3+, In3+) dargestellt, weitere Verbindungen enthalten neben Mg2+ weitere Kationen der Haupt- und Nebengruppenmetalle (Ca, Sr, Ba, Mn, Fe, Co, Zn). Darüberhinaus gelang die Darstellung bislang unbekannter Scandium- und Lanthanphosphate(III) sowie von sauren Alkalimetall-Scandiumphosphaten(V). Aus Synthesen in Gegenwart von Ethylendiamin und Diazabizyklooktan wurden ferner zwei neue templatierte Scandiumphosphate mit porösen Gerüststrukturen erhalten. Die Kristallstrukturen aller Verbindungem wurden rötgenographisch anhand von Einkristallaufnahmen oder Pulverdaten aufgeklärt. Die Charakterisierung der Präparate erfolgte mit Röntgenpulverdiffraktometrie, EDX- und Elementaranalysen sowie durch Schwingungsspektroskopie und thermische Stabilitätsuntersuchungen. Zur Klassifizierung von (Metallo)borophosphaten wird eine Struktursystematik vorgeschlagen, welche Borophosphate und Metalloborophosphate entsprechend ihrer anionischen Teilstrukturen hierarchisch klassifiziert und in Analogie zur Terminologie der Silikate (nach Liebau) beschreibt. In Anlehnung an bestehende Konzepte für Boratminerale geht das Klassifizierungsschema dabei von einfachen Oligomeren aus. In einer struktursystematischen Übersicht wurden alle bis dato bekannten (Metallo)Borophosphate hierarchisch klassifiziert und sind in einer Übersicht vorgestellt. Beobachtete Verknüpfungsregeln und der Einfluss der Zusammensetzung B:P auf die Dimensionalität und die Verknüpfungsmuster der anionischen Teilstruktur werden diskutiert.

This work presents theoretical background for the investigation of nanostructure formation in alkali-metal doped fullerene layers. A number of computational methods are used to describe structural transformation in the fullerene layer. They include tight-binding molecular dynamics, empirical molecular dynamics, Monte-Carlo calculations as well as other methods. The doped fullerene layers show the highest superconducting critical temperature among organic superconductors. A new electrochemical method of synthesis of potassium and rubidium fullerides has been recently developed by Professor Dunsch and coworkers in the department of electrochemistry and conductive polymers at IFW Dresden. The process of electrochemical doping is accompanied by several side effects, and one of them is nanostructure formation at the surface of the fullerene layer. In the present work an explanation is given for the nanostructure formation observed recently by scanning tunnel microscopy. The corresponding model is based on the concept of spontaneous phase separation that has been realized by kinetic Monte Carlo calculations. These calculations predict instability of initially homogeneous alkali-doped fullerene layers. Due to the significant gap in the Madelung energy formation of an alkali-poor and an alkali-reach phase is expected. The results of the Monte Carlo simulations point out that the particle size of the corresponding phases remains in the nanometer range. Interpretation of experimental data for metal deposition on fullerene substrates can be easily given in the framework of the phase separation concept as well. Metal clusters of the size order 50 to 100 nm emerge in course of electrochemical copper deposition on alkali-doped fullerene layers. The electrically conductive paths through the insulating fullerene layer are probably responsible for the inhomogeneous copper deposition under electrochemical conditions. A novel computer program has been developed in course of this work, which is designed as a distributed application. It can be used for diverse conventional and kinetic Monte Carlo calculations. / Die vorliegende Arbeit präsentiert theoretische Arbeiten, die das Ziel haben, die Nanostrukturbildung in dotierten Fullerenschichten zu verstehen. Diverse Rechenmethoden wurden verwendet, um die strukturellen Umwandlungen in der Fullerenschicht zu beschreiben. Die Tight-Binding-Molekulardynamik, die empirische Molekulardynamik und Monte-Carlo-Berechnungen sowie andere Methoden sind eingeschlossen. Die dotierten Fullerenschichten zeigen die höchste supraleitende kritische Temperatur unter den organischen Supraleitern. Eine neue elektrochemische Methode der Synthese von Kalium- und Rubidium-Fulleriden wurde vor kurzem von Professor Dunsch und Mitarbeitern in der Abteilung Elektrochemie und leitfähigen Polymere am IFW Dresden entwickelt. Der Prozess der elektrochemischen Dotierung wird von mehreren Nebenprozessen begleitet, und einer davon ist die Nanostrukturbildung an der Oberfäche der Fullerenschicht. In der vorliegenden Arbeit wird eine Erklärung für die Herausbildung der Nanostrukturen, die mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie beobachtet wurden, gegeben. Das entsprechende Modell basiert auf dem Konzept der spontanen Phasenentmischung und wird durch kinetische Monte-Carlo-Simulationen realisiert. Diese Simulationen sagen Instabilität der zunächst homogenen Alkali-dotierten Fullerenschichten voraus. Wegen des wesentlichen Unterschieds in der Madelungenergie ist die Herausbildung einer Alkalimetall-armen und einer Alkalimetall-reichen Phase zu erwarten. Die Ergebnisse der Monte-Carlo-Simulationen weisen darauf hin, dass die Teilchengröße der entsprechenden Phasen im Nanometer-Bereich bleibt. Im Rahmen des Phasenentmischungskonzepts können auch experimentelle Daten zur Metallabscheidung auf Fullerensubstraten problemlos interpretiert werden. Bei elektrochemischer Kupferabscheidung auf Alkali-dotierten Fullerenschichten entstehen Metallcluster der Größenordnung von 50 bis 100 nm. Die elektrisch leitfähige Pfade, die in einer isolierenden Matrix auftreten, sind wahrscheinlich für die ungleichmäßige Kupferabscheidung unter elektrochemischen Bedingungen verantwortlich. Ein neuartiges Computerprogramm wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt, das als eine verteilte Anwendung entworfen ist. Damit können diverse konventionelle und kinetische Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt werden.