Es werden nahfeldoptische Phänomene an Raster-Sonden-Geometrien untersucht. Hierzu zählen die Feldverstärkung an laserbestrahlten Rastersondenspitzen und die Feldverteilung in nahfeldoptischen Apertur- und Koaxialspitzen. Zur Berechnung der Feldverteilung werden verschiedene numerische Verfahren wie die Methode der Randelemente (BEM) und die Methode der Finiten Integration (FIT) angewendet. Die durchgeführten Berechnungen sagen eine erhebliche Feldüberhöhung im Nahfeld von laserbestrahlten Rastersondenspitzen voraus. Es wird diskutiert, ob diese Feldüberhöhung ursächlich für die Modifikation der Oberfläche unter der Sondenspitze verantwortlich ist. Zur weiteren Klärung der Strukturierungsmechanismen wird die Stromantwort des Tunnelübergangs auf Laserbestrahlung experimentell untersucht. Die Detektion des Stromsignals erfolgt mit einem neuen Vorverstärker, der die Eigenschaften einer hohen Eingangsimpedanz, einer hohen Transimpedanz und einer hohen Bandbreite miteinander vereinigt. Weiterhin wird die Feldverteilung in SNOM-Spitzen, insbesondere in den sogenannten Koaxialspitzen, bestimmt. Es wird untersucht wie sich koaxial Moden in koaxialen SNOM-Spitzen anregen lassen und wie sie sich ausbreiten. Ausgehend von bereits existierenden Entwürfen solcher Spitzen wird diskutiert, welche Strukturen sich zur Anregung von koaxialen Moden eignen.

Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Perylen-Derivate als Zwischenschichten in Ag/organischen Schichten/GaAs(100)-Heterostrukturen eingesetzt, um den Einfluss von unterschiedlichen chemischen Endgruppen auf die chemischen und strukturellen Eigenschaften beider Grenzflächen, sowie auf die Morphologie, Struktur und Kristallinität von organischen Schichten zu charakterisieren. Die molekularen Schichten von 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Dianhydrid (PTCDA) und Dimethyl-3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Diimid (DiMe-PTCDI) werden durch organische Molekularstrahldeposition (OMBD) im Ultrahochvakuum auf S-passivierten GaAs(100):2x1-Substraten hergestellt. Weiterhin wird der Einfluss des Substrats untersucht, indem PTCDA-Wachstum auf H-passiviertem Si(100):1x1 durchgeführt wird. Als Hauptcharakterisierungsmethode wird die Ramanspektroskopie eingesetzt. Diese ist eine nicht-destruktive Methode, die auch in situ Untersuchungen des Wachstumsprozesses ermöglicht. Die komplementäre Infrarotspektroskopie sowie die Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenbeugung (XRD) werden zur Ergänzung des Verständnisses der Heterostruktureigenschaften verwendet. Die Empfindlichkeit von Raman- und Infrarot-Spektroskopien auf die chemisch unterschiedlichen Endgruppen wird durch experimentelle Untersuchungen an PTCDA- und DiMe-PTCDI-Kristallen, beziehungsweise dicken Schichten und mit Hilfe theoretischer Berechnungen nachgewiesen. So wird zum ersten Mal eine vollständige Zuordnung der Schwingunsfrequenzen zu den internen Schwingungsmoden von DiMe-PTCDI vorgeschlagen. Im niedrigen Frequenzbereich der Ramanspektren werden die externen molekularen Schwingungsmoden, oder molekularen „Phononen“, die eine Signatur der Kristallinität darstellen, beobachtet. Die Phononen von DiMe-PTCDI werden in dieser Arbeit zum ersten Mal in einem Ramanexperiment beobachtet. Mittels resonanter Ramanspektroskopie wird die Detektion von C-H-Deformationsmoden und C-C-Streckmoden sogar im Sub-Monolagenbereich molekularer Bedeckung auf Halbleiteroberflächen möglich. Anhand dieser Ramanspektren konnte die Art der Wechselwirkung zwischen Molekülen und passivierten Oberflächen näher charakterisiert werden. Zusätzliche Information bringen die GaAs LO- und Plasmon-gekoppelten LO- Phononen, deren Intensitätsverhältnis im Ramanspektrum die Bandverbiegung im GaAs-Substrat widerspiegelt. Die Kristallinität der hergestellten organischen Schichten mit Dicken größer als 2 nm wird durch Beobachtung der molekularen „Phononen“ nachgewiesen. Als allgemeine Tendenz konnte bewiesen werden, dass mit steigender Substrattemperatur während des Wachstums größere Kristalldomänen entstehen. Weiterhin wird eine Methode vorgeschlagen, um den Anteil von zwei PTCDA- Kristallphasen mit ähnlichen Gitterparametern anhand der Raman- beziehungsweise XRD-Spektren zu bestimmen. Durch ihre sehr gute Ordnung können die DiMe-PTCDI- Schichten als Modellsystem dienen, um eine Methode zu entwickeln, die die Molekülorientierung im Bezug zum Substrat aus polarisationsabhängigen Raman- und Infrarotmessungen bestimmt. Bei der Metall-Bedampfung wird die Empfindlichkeit der Ramanstreuung an internen molekularen Schwingungsmoden von PTCDA und DiMe-PTCDI-Schichten durch oberflächenverstärkte Ramanstreuung (SERS) erhöht. Anhand der unterschiedlichen Signalverstärkungsmechanismen werden Informationen über die Ag/Molekül- Wechselwirkung und die Morphologie der Ag-Schichten abgeleitet.

In dieser Arbeit wurden nanostrukturierte Oberflächen durch Immobilisierung von Gold- und Silber¬nanopartikeln mit Organosilanen hergestellt und bezüglich ihrer Eigenschaften als Substrate für die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) untersucht. In Experimenten zum Einfluss von Partikelgröße und -anordnung auf die plasmonischen Eigenschaften wurden wesentliche Erkenntnisse für die Optimierung SERS-aktiver Nanostrukturen gewonnen. Durch Kombination experimen¬teller Untersuchungen, unter Verwendung von spektroskopischen und bildgebenden Ver¬fahren, mit elektro¬dynamischen Simulationen der lokalen Felder, wurden Zusammen¬hänge zwischen den plasmo¬nischen und nanoskopischen Eigen¬schaften von Partikeln auf Oberflächen und ihren SERS-Eigenschaften hergestellt. Die nanostrukturierten Oberflächen weisen hohe und über einen weiten Analyt-konzentrations¬bereich stabile Verstärkungsfakoren bei hoher mikros¬kopischer Homo-genität der Verstärkung auf. Dies macht sie zu geeigneten Substraten für quantitative Anwendungen von SERS. Das Potenzial der nano-strukturierten Ober¬flächen für den Einsatz in analytischen Fragestellungen wurde anhand mehrerer Anwendungen gezeigt. Durch simultane Immobilisierung verschiedener Nano¬partikel unter Verwendung desselben Linker¬moleküls wurden erstmalig Ober¬flächen mit definierten plasmonischen und funktionellen Eigen¬schaften repro¬duzierbar erzeugt. Diese neuartigen Mischsubstrate wurden in der Verfolgung katalytischer Reaktionen eingesetzt, wodurch erstmals Reaktions-konstanten solcher Reaktionen mittels SERS bestimmt werden konnten. Die Ergebnisse der Arbeit legen einen breiten Einsatz der plasmonischen nano¬struk-turierten Ober¬flächen in der Zukunft nahe. Dieser reicht von Untersuchungen in der Kata-lyse¬forschung über mikroskopische Anwendungen von SERS bis zur Verwendung in der klinischen Diagnostik. / Within this work nanostructured surfaces were generated by immobilization of gold and silver nanoparticles with organosilanes and characterized regarding their suitability as substrates for Surface-enhanced Raman scattering (SERS). Essential knowledge for the optimization of SERS-active nanostructures could be found by experimental invest-igations on the influence of particle size and assembly on the plasmonic properties. Through combined experimental investigations, including spectroscopic and imaging techniques, and electrodynamic simulations of local fields, the plasmonic and nanoscopic properties of particles on surfaces were related to their SERS-properties. The nanostructured surfaces exhibit high and, over a wide range of analyte concentration, stable enhancement factors with high microscopic homogeneity. Therefore immobilized nanostructures are suitable substrates for quantitative SERS. The potential for the use of the nanostructured surfaces in analytical problems was shown in various applications. Signal fluctuations that can occur in the detection of complex analyte mixtures can be significantly reduced by immobilization of the nanoparticles. This offers the possibility to use multivariate statistical methods for automated classification and identification of molecule mixtures but also for multiplexing and imaging by SERS. Simultaneous immobilization of gold and silver nanoparticles and gold and platinum nanoparticles using the same linker molecule allowed for the first time to generate surfaces with defined plasmonic and functional properties with low cost and high reproducibility. These new mix and match-substrates were used to follow catalytic reactions and determine reaction constants of such reactions for the first time using SERS. The outcome of this work suggests a wide range of applications of plasmonic nanostructured surfaces in the future. This includes the investigation of catalysis, microscopic applications of SERS and clinical diagnosis.

Es werden nahfeldoptische Phänomene an Raster-Sonden-Geometrien untersucht. Hierzu zählen die Feldverstärkung an laserbestrahlten Rastersondenspitzen und die Feldverteilung in nahfeldoptischen Apertur- und Koaxialspitzen. Zur Berechnung der Feldverteilung werden verschiedene numerische Verfahren wie die Methode der Randelemente (BEM) und die Methode der Finiten Integration (FIT) angewendet. Die durchgeführten Berechnungen sagen eine erhebliche Feldüberhöhung im Nahfeld von laserbestrahlten Rastersondenspitzen voraus. Es wird diskutiert, ob diese Feldüberhöhung ursächlich für die Modifikation der Oberfläche unter der Sondenspitze verantwortlich ist. Zur weiteren Klärung der Strukturierungsmechanismen wird die Stromantwort des Tunnelübergangs auf Laserbestrahlung experimentell untersucht. Die Detektion des Stromsignals erfolgt mit einem neuen Vorverstärker, der die Eigenschaften einer hohen Eingangsimpedanz, einer hohen Transimpedanz und einer hohen Bandbreite miteinander vereinigt. Weiterhin wird die Feldverteilung in SNOM-Spitzen, insbesondere in den sogenannten Koaxialspitzen, bestimmt. Es wird untersucht wie sich koaxial Moden in koaxialen SNOM-Spitzen anregen lassen und wie sie sich ausbreiten. Ausgehend von bereits existierenden Entwürfen solcher Spitzen wird diskutiert, welche Strukturen sich zur Anregung von koaxialen Moden eignen.

Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Perylen-Derivate als Zwischenschichten in Ag/organischen Schichten/GaAs(100)-Heterostrukturen eingesetzt, um den Einfluss von unterschiedlichen chemischen Endgruppen auf die chemischen und strukturellen Eigenschaften beider Grenzflächen, sowie auf die Morphologie, Struktur und Kristallinität von organischen Schichten zu charakterisieren. Die molekularen Schichten von 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Dianhydrid (PTCDA) und Dimethyl-3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Diimid (DiMe-PTCDI) werden durch organische Molekularstrahldeposition (OMBD) im Ultrahochvakuum auf S-passivierten GaAs(100):2x1-Substraten hergestellt. Weiterhin wird der Einfluss des Substrats untersucht, indem PTCDA-Wachstum auf H-passiviertem Si(100):1x1 durchgeführt wird. Als Hauptcharakterisierungsmethode wird die Ramanspektroskopie eingesetzt. Diese ist eine nicht-destruktive Methode, die auch in situ Untersuchungen des Wachstumsprozesses ermöglicht. Die komplementäre Infrarotspektroskopie sowie die Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenbeugung (XRD) werden zur Ergänzung des Verständnisses der Heterostruktureigenschaften verwendet. Die Empfindlichkeit von Raman- und Infrarot-Spektroskopien auf die chemisch unterschiedlichen Endgruppen wird durch experimentelle Untersuchungen an PTCDA- und DiMe-PTCDI-Kristallen, beziehungsweise dicken Schichten und mit Hilfe theoretischer Berechnungen nachgewiesen. So wird zum ersten Mal eine vollständige Zuordnung der Schwingunsfrequenzen zu den internen Schwingungsmoden von DiMe-PTCDI vorgeschlagen. Im niedrigen Frequenzbereich der Ramanspektren werden die externen molekularen Schwingungsmoden, oder molekularen „Phononen“, die eine Signatur der Kristallinität darstellen, beobachtet. Die Phononen von DiMe-PTCDI werden in dieser Arbeit zum ersten Mal in einem Ramanexperiment beobachtet. Mittels resonanter Ramanspektroskopie wird die Detektion von C-H-Deformationsmoden und C-C-Streckmoden sogar im Sub-Monolagenbereich molekularer Bedeckung auf Halbleiteroberflächen möglich. Anhand dieser Ramanspektren konnte die Art der Wechselwirkung zwischen Molekülen und passivierten Oberflächen näher charakterisiert werden. Zusätzliche Information bringen die GaAs LO- und Plasmon-gekoppelten LO- Phononen, deren Intensitätsverhältnis im Ramanspektrum die Bandverbiegung im GaAs-Substrat widerspiegelt. Die Kristallinität der hergestellten organischen Schichten mit Dicken größer als 2 nm wird durch Beobachtung der molekularen „Phononen“ nachgewiesen. Als allgemeine Tendenz konnte bewiesen werden, dass mit steigender Substrattemperatur während des Wachstums größere Kristalldomänen entstehen. Weiterhin wird eine Methode vorgeschlagen, um den Anteil von zwei PTCDA- Kristallphasen mit ähnlichen Gitterparametern anhand der Raman- beziehungsweise XRD-Spektren zu bestimmen. Durch ihre sehr gute Ordnung können die DiMe-PTCDI- Schichten als Modellsystem dienen, um eine Methode zu entwickeln, die die Molekülorientierung im Bezug zum Substrat aus polarisationsabhängigen Raman- und Infrarotmessungen bestimmt. Bei der Metall-Bedampfung wird die Empfindlichkeit der Ramanstreuung an internen molekularen Schwingungsmoden von PTCDA und DiMe-PTCDI-Schichten durch oberflächenverstärkte Ramanstreuung (SERS) erhöht. Anhand der unterschiedlichen Signalverstärkungsmechanismen werden Informationen über die Ag/Molekül- Wechselwirkung und die Morphologie der Ag-Schichten abgeleitet.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Bewertung des Breitband-Halbleiters ß-Ga2O3 für die Hochleistungselektronik. Daher sind Schichten, die mit metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) gewachsen sind, und Volumenkristalle, die mit der Czochralski-Methode gewachsen sind, elektrisch und optisch charakterisiert. Dabei werden die grundlegenden Eigenschaften des Materials untersucht und mit den theoretischen Vorhersagen verglichen. Der Einfluss und die Bildung von Defekten werden untersucht. Zu Beginn zeigten die MOVPE-gewachsenen Schichten ungünstige elektrische Eigenschaften, da sie bei niedrigeren Dotierungskonzentrationen vollständig kompensiert wurden und bei höheren Ladungsträgerkonzentrationen eine geringere Ladungsträgerbeweglichkeit aufwiesen. Ein quantitatives Modell des schädlichen Einflusses inkohärenter Zwillingsgrenzen auf elektrische Eigenschaften wird entwickelt, das zeigt, dass die Verhinderung der Bildung von diesen der Schlüssel zur Verbesserung des Materials ist. Die Dichte der inkohärenten Zwillingsgrenzen wurde um 4 Größenordnungen reduziert, was zu einer verbesserten Ladungsträgerbeweglichkeit führte. Dies bietet eine vielversprechende Perspektive für den Einsatz von ß-Ga2O3 in zukünftiger Leistungselektronik. Ramanspektroskopische Untersuchungen an hoch n-dotierten Kristallen zeigen die Bildung eines Störstellenbandes, geben Einblicke in die effektivmasseartige Donatornatur von Si und Sn und zeigen zusätzliche Raman-verbotene, longitudinale Phononen-Plasmonmoden durch Streuung durch Fluktuationen der freien Ladungsträgerdichte. Die relative statische Dielektrizitätskonstante von ß-Ga2O3 senkrecht zu den Ebenen (100), (010) und (001) wird auf 10,2, 10,87 bzw. 12,4 bestimmt, die eine zuverlässige Grundlage für die Simulation und Konstruktion von Bauelementen bilden. Die Erzeugung von heller, roter Elektrolumineszenz (EL) in Sperrrichtung betriebenen Schottky-Barrieredioden auf der Basis von mit Cr und Si co-dotierten Kristallen wird gezeigt. Die EL von Cr ist repräsentativ für die Fähigkeit, die lumineszierenden Zustände anderer Übergangsmetalle anzuregen. Solche lichtemittierenden Schottky-Barrieredioden können ein neues Anwendungsgebiet von ß-Ga2O3 eröffnen. / This thesis deals with the evaluation of the wide band gap semiconductor ß-Ga2O3 for high power electronics. Therefore, layers grown with metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) and bulk crystals grown by Czochralski method are electrically and optically characterized. Hereby, the fundamental properties of the material are investigated and compared with the theoretical predictions. The influence and formation of defects are investigated. At the beginning the MOVPE grown layers showed unfavorable electrical properties as they were fully compensated at lower doping concentrations and showed lowered mobility at higher charge carrier concentrations. A quantitative model of the detrimental influence of incoherent twin boundaries on electrical properties is developed showing that the prevention of the formation of these is the key to improve the material. The density of incoherent twin boundaries was reduced by 4 orders of magnitude resulting in improved charge carrier mobility. This provides a promising outlook for the use of ß-Ga2O3 in future power electronics. Raman spectroscopic investigations of highly n-type doped crystals reveal the formation of an impurity band, give insight in the effective-mass like donor nature of Si and Sn, and show additional Raman forbidden, longitudinal phonon plasmon modes due to free-electronic-charge density fluctuations scattering. The relative static dielectric constant of ß-Ga2O3 perpendicular to the planes (100), (010), and (001) is determined to 10.2, 10.87, and 12.4, respectively, which give a reliable basis for the simulation and design of devices. The generation of bright, red electroluminescence (EL) in reverse biased Schottky barrier diodes based on crystals co-doped with Cr and Si is shown. The EL of Cr is representative of the ability to excite the luminescent states of other transition metals. Such light emitting Schottky barrier diodes may open up a new application field of ß-Ga2O3.

Diese Arbeit befasst sich mit der theoretischen Beschreibung nichtlinearer optischer Phänomene in Hinblick auf das (numerische) unstetige Galerkin-Zeitraumverfahren. Insbesondere werden zwei Materialmodelle behandelt: das hydrodynamische Modell für Metalle und das Modell für Raman-aktive Materialien. Im ersten Teil der Arbeit wird das hydordynamische Modell für Metalle unter Verwendung eines störungstheoretischen Ansatzes behandelt. Insbesondere wird dieser Ansatz genutzt, um die nichtlinearen optischen Effekte, Erzeugung zweiter Harmonischer und Summenfrequenzerzeugung, mit Hilfe des unstetigen Galerkin-Verfahrens zu studieren. In diesem Zusammenhang wird demonstriert, wie das optische Signal zweiter Ordnung von Nanoantennen optimiert werden kann. Hierzu wird ein hier erarbeitetes Schema für die Abstimmung des eingestrahten Lichtes angewandt. Zudem führt eine intelligente Wahl des Antennendesigns zu einem optimierten Signal. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird das Modell für Raman-aktive Dielektrika behandelt. Genauer wird die nichtlineare Antwort dritter Ordnung für stimulierte Raman-Streuung hergeleitet. Diese wird dazu genutzt, um ein System aus Hilfsdifferentialgleichungen für das unstetige Galerkin-Verfahren zu konstruieren. Die Ergebnisse des erweiterten numerischen Verfahrens werden im Anschluss gezeigt und diskutiert. / This thesis is concerned with the theoretical description of nonlinear optical phenomena with regards to the (numerical) discontinuous Galerkin time-domain (DGTD) method. It deals with two different material models: the hydrodynamic model for metals and the model for Raman-active dielectrics. In the first part, we review the hydrodynamic model for metals, where we apply a perturbative approach to the model. We use this approach to calculate the second-order nonlinear optical effects of second-harmonic generation and sum-frequency generation using the DGTD method. In this context, we will see how to optimize the second-order response of plasmonic nanoantennas by applying a deliberate tuning scheme for the optical excitations as well as by choosing an intelligent nanoantenna design. In the second part, we examine the material model for Raman-active dielectrics. In particular, we see how to derive the third-order nonlinear response by which one can describe the process of stimulated Raman scattering. We show how to incorporate this third-order response into the DGTD scheme yielding a novel set of auxiliary differential equations. Finally, we demonstrate the workings of the modified numerical scheme.