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One of the primary drivers in the development of large format millimeter detector arrays is the study of sub-millimeter galaxies (SMGs) - a population of very luminous high-redshift dust-obscured starbursts that are widely believed to be the dominant contributor to the Far-Infrared Background (FIB). The characterization of such a population requires the ability to map large patches of the (sub-)millimeter sky to high sensitivity within a feasible amount of time. I present this dissertation on the design, integration, and characterization of the 144-pixel AzTEC millimeter-wave camera and its application to the study of the sub-millimeter galaxy population. In particular, I present an unprecedented characterization of the "blank-field" (fields with no known mass bias) SMG number counts by mapping over 0.5 deg 2 to 1.1mm depths of ∼1mJy - a previously unattained depth on these scales. This survey provides the tightest SMG number counts available, particularly for the brightest and rarest SMGs that require large survey areas for a significant number of detections. These counts are compared to the predictions of various models of the evolving mm/sub-mm source population, providing important constraints for the ongoing refinement of semi-analytic and hydrodynamical models of galaxy formation. I also present the results of an AzTEC 0.15 deg 2 survey of the COSMOS field, which uncovers a significant over-density of bright SMGs that are spatially correlated to foreground mass structures, presumably as a result of gravitational lensing. Finally, I compare the results of the available SMG surveys completed to date and explore the effects of cosmic variance on the interpretation of individual surveys.

Cette thèse a pour but de faire le lien entre l’évolution des galaxies, leur morphologie et les processus physiques internes, notamment la formation stellaire comme le résultat du milieu interstellaire turbulent et multiphase, en utilisant les simulations cosmologiques zoom-in, les simulations des galaxies isolées et en interaction, et le modèle analytique de la formation stellaire. Dans le chapitre 1, j’explique la motivation pour cette thèse et je passe brièvement en revue le contexte nécessaire lié à la formation des galaxies et la modélisation en utilisant les simulations numériques. Tout d’abord, j’explore l’évolution de la morphologie des galaxies du type de la Voie Lactée dans la série des simulations cosmologiques zoom-in à travers l’analyse des barres. J’analyse l’évolution de la fraction des barres avec le redshift, sa dépendance en fonction de la masse stellaire et l’histoire d’accrétion de galaxies individuelles. Je montre en particulier, que la fraction de barres décroit avec le redshift croissant, en accord avec les observations. Ce travail montre également que les résultats obtenus suggèrent que l’époque de la formation des barres correspond à la transition entre une phase précoce “violente” de la formation de galaxies spirales à z > 1, pendant laquelle elles sont souvent perturbées par les fusions avec les galaxies de masse comparable ou par multiple fusions avec les galaxies de petite masse, mais aussi les instabilités violentes de disque, et une phase "séculaire" tardive à z < 1, quand la morphologie finale est généralement stabilisée vers une structure dominée par le disque. Cette analyse est présentée dans le chapitre 2. Étant donné que ces simulations cosmologiques forment trop d'étoiles trop tôt par rapport aux populations de galaxies observées, je me concentre dans le chapitre 3 sur la formation stellaire dans un échantillon de simulation de galaxies en isolation, à bas redshift, et à résolution du parsec et sous-parsec. J'étudie l'origine physique de leurs relations de formation stellaire avec les cassures, et montre que le seuil de densité surfacique pour une formation stellaire efficace peut être lié à la densité caractéristique d'apparition de turbulence supersonique. Ce résultat s'applique aussi bien aux galaxies qui fusionnent, dans lesquelles l'augmentation de la turbulence compressive déclenchée par les marées compressives les conduit au régime de sursaut de formation d'étoiles. Un modèle analytique idéalisé de formation stellaire liant la densité surfacique de gaz au taux de formation stellaire comme une fonction de la présence de turbulence supersonique et la structure associée du milieu interstellaire est ensuite présenté dans le chapitre 4. Ce modèle prédit une cassure à basse densité de surface qui est suivie par un régime de loi de puissance à haute densité dans différents systèmes en accord avec les relations de formation stellaire des galaxies observées et simulées. La dernière partie de cette thèse est dédiée à la technique alternative de zoom-in cosmologique (Martig et al. 2009) et son implémentation dans le code à raffinement de maillage adaptatif RAMSES. Dans le chapitre 5, je présente les caractéristiques de base de cette technique aussi bien que certains de nos tout premiers résultats dans le contexte de l'accrétion cosmologique diffuse. / This thesis aims at making the link between galaxy evolution, morphology and internal physical processes, namely star formation as the outcome of the turbulent multiphase interstellar medium, using the cosmological zoom-in simulations, simulations of isolated and merging galaxies, and the analytic model of star formation. In Chapter 1, I explain the motivation for this thesis and briefly review the necessary background related to galaxy formation and modeling with the use of numerical simulations. I first explore the evolution of the morphology of Milky-Way-mass galaxies in a suite of zoom-in cosmological simulations through the analysis of bars. I analyze the evolution of the fraction of bars with redshift, its dependence on the stellar mass and accretion history of individual galaxies. I show in particular, that the fraction of bars declines with increasing redshift, in agreement with the observations. This work also shows that the obtained results suggest that the bar formation epoch corresponds to the transition between an early "violent" phase of spiral galaxies formation at z > 1, during which they are often disturbed by major mergers or multiple minor mergers as well as violent disk instabilities, and a late "secular" phase at z < 1, when the final morphology is generally stabilized to a disk-dominated structure. This analysis is presented in Chapter 2. Because such cosmological simulations form too many stars too early compared to observed galaxy populations, I shift the focus in Chapter 3 to star formation in a sample of low-redshift galaxy simulations in isolation at parsec and sub-parsec resolution. I study the physical origin of their star formation relations and breaks and show that the surface density threshold for efficient star formation can be related to the typical density for the onset of supersonic turbulence. This result holds in merging galaxies as well, where increased compressive turbulence triggered by compressive tides during the interaction drives the merger to the regime of starbursts. An idealized analytic model for star formation relating the surface density of gas and star formation rate as a function of the presence of supersonic turbulence and the associated structure of the ISM is then presented in Chapter 4. This model predicts a break at low surface densities that is followed by a power-law regime at high densities in different systems in agreement with star formation relations of observed and simulated galaxies. The last part of this thesis is dedicated to the alternative cosmological zoom-in technique Martig et al. 2009 and its implementation in the Adaptive Mesh Refinement code RAMSES. In Chapter 5, I will present the basic features of this technique as well as some of our very first results in the context of smooth cosmological accretion.

Organische Farbstoffe mit einem konjugierten pi-Elektronen System zeigen überwiegend ein halbleitendes Verhalten. Daher sind sie potentielle Materialien für elektronische und optoelektronische Anwendungen. Erste Anwendungen in Flachbildschirmen sind bereits in (noch) geringen Mengen auf dem Markt. Die kontrollierte Dotierung anorganischer Halbleiter bereitete die Basis für den Durchbruch der bekannten Halbleitertechnologie. Die Kontrolle des Leitungstypes und der Lage des Fermi-Niveaus erlaubte es, stabile pn-Übergänge herzustellen. LEDs können daher mit Betriebsspannungen nahe dem thermodynamischen Limit betrieben werden (ca. 2.5V für eine Emission im grünen Spektralbereich). Im Gegensatz dazu bestehen organische Leuchtdioden (OLEDs) typischerweise aus einer Folge intrinsischer Schichten. Diese weisen eine ineffiziente Injektion aus Kontakten und eine relative geringe Leitfähigkeit auf, welche mit hohen ohmschen Verlusten verbunden ist. Andererseits besitzen organische Materialien einige technologische Vorteile, wie geringe Herstellungskosten, große Vielfalt der chemischen Verbindungen und die Möglichkeit sie auf flexible große Substrate aufzubringen. Sie unterscheiden sich ebenso in einigen fundamentalen physikalischen Parametern wie Brechungsindex, Dielektrizitätskonstante, Absorptionskoeffizient und Stokes-Verschiebung der Emissionswellenlänge gegenüber der Absorption. Das Konzept der Dotierung wurde für organische Halbleiter bisher kaum untersucht und angewandt. Unser Ziel ist die Erniedrigung der Betriebsspannung herkömmlicher OLEDs durch den Einsatz der gezielten Dotierung der Transportschichten mit organischen Molekülen. Um die verbesserte Injektion aus der Anode in die dotierte Löchertransportschicht zu verstehen, wurden UPS/XPS Messungen durchgeführt (ultraviolette und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie). Messungen wurden an mit F4-TCNQ dotiertem Zink-Phthalocyanin auf ITO und Gold-Kontakten durchgeführt. Die Schlussfolgerungen aus den Experimenten ist, das (i) die Fermi-Energie sich durch Dotierung dem Transportniveau (also dem HOMO im Falle der vorliegenden p-Dotierung) annähert, (ii) die Diffusionspannung an der Grenzfläche durch Dotierung entsprechend verändert wird, und (iii) die Verarmungszone am Kontakt zum ITO sehr dünn wird. Der Kontakt aus organischem Material und leitfähigem Substrat verhält sich also ganz analog zum Fall der Dotierung anorganischer Halbleiter. Es entsteht ein stark dotierter Schottky-Kontakt dessen schmale Verarmungszone leicht durchtunnelt werden kann (quasi-ohmscher Kontakt). Die Leistungseffizienz von OLEDs mit dotierten Transportschichten konnte sukzessive erhöht werden, vom einfachen 2-Schicht Design mit dotiertem Phthalocyanine als Löchertransportschicht, über einen 3-Schicht-Aufbau mit einer Elektronen-Blockschicht bis zu OLEDs mit dotierten 'wide-gap' Löchertransport-Materialien, mit und ohne zusätzlicher Schicht zur Verbesserung der Elektroneninjektion. Sehr effiziente OLEDs mit immer noch niedriger Betriebsspannung wurden durch die Dotierung der Emissionsschicht mit Molekülen erhöhter Photolumineszenzquantenausbeute (Laser-Farbstoffe) erreicht. Eine optimierte LED-Struktur weist eine Betriebsspannung von 3.2-3.2V für eine Lichtemission von 100cd/m2 auf. Diese Resultate entsprechen den zur Zeit niedrigsten Betriebsspannungen für OLEDs mit ausschließlich im Vakuum aufgedampften Schichten. Die Stromeffizienz liegt bei ca. 10cd/A, was einer Leistungseffizienz bei 100cd/m2 von 10lm/W entspricht. Diese hohe Leistungseffizienz war nur möglich durch die Verwendung einer Blockschicht zwischen der dotierten Transportschicht und der Lichtemissions-Schicht. Im Rahmen der Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Dotierung die Betriebsspannungen von OLEDs senken kann und damit die Leistungseffizienz erhöht wird. Zusammen mit einer sehr dünnen Blockschicht konnte einen niedrige Betriebsspannung bei gleichzeitig hoher Effizienz erreicht werden (Blockschicht-Konzept). / Organic dyes with a conjugated pi-electron system usually exhibit semiconducting behavior. Hence, they are potential materials for electronic and optoelectronic devices. Nowadays, some applications are already commercial on small scales. Controlled doping of inorganic semiconductors was the key step for today's inorganic semiconductor technology. The control of the conduction type and Fermi-level is crucial for the realization of stable pn-junctions. This allows for optimized light emitting diode (LED) structures with operating voltages close to the optical limit (around 2.5V for a green emitting LED). Despite that, organic light emitting diodes (OLEDs) generally consist of a series of intrinsic layers based on organic molecules. These intrinsic organic charge transport layers suffer from non-ideal injection and noticeable ohmic losses. However, organic materials feature some technological advantages for device applications like low cost, an almost unlimited variety of materials, and possible preparation on large and flexible substrates. They also differ in some basic physical parameters, like the index of refraction in the visible wavelength region, the absorption coefficient and the Stokes-shift of the emission wavelength. Doping of organic semiconductors has only been scarcely addressed. Our aim is the lowering of the operating voltages of OLEDs by the use of doped organic charge transport layers. The present work is focused mainly on the p-type doping of weakly donor-type molecules with strong acceptor molecules by co-evaporation of the two types of molecules in a vacuum system. In order to understand the improved hole injection from a contact material into a p-type doped organic layer, ultraviolet photoelectron spectroscopy combined with X-ray photoelectron spectroscopy (UPS/XPS) was carried out. The experimental results of the UPS/XPS measurements on F4-TCNQ doped zinc-phthalocyanine (ZnPc) and their interpretation is given. Measurements were done on the typical transparent anode material for OLEDs, indium-tin-oxide (ITO) and on gold. The conclusion from these experiments is that (i) the Fermi-energy comes closer to the transport energy (the HOMO for p-type doping), (ii) the built-in potential is changed accordingly, and (iii) the depletion layer becomes very thin because of the high space charge density in the doped layer. The junction between a doped organic layer and the conductive substrate behaves rather similar to a heavily doped Schottky junction, known from inorganic semicondcutor physics. This behavior favors charge injection from the contact into the organic semiconductor due to tunneling through a very small Schottky barrier (quasi-ohmic contact). The performance of OLEDs with doped charge transport layers improves successively from a simple two-layer design with doped phthalocyanine as hole transport layer over a three-layer design with an electron blocking layer until OLEDs with doped amorphous wide gap materials, with and without additional electron injection enhancement and electron blocking layers. Based on the experience with the first OLEDs featuring doped hole transport layers, an ideal device concept which is based on realistic material parameters is proposed (blocking layer concept). Very high efficient OLEDs with still low operating voltage have been prepared by using an additional emitter dopant molecule with very high photoluminescence quantum yield in the recombination zone of a conventional OLED. An OLED with an operating voltage of 3.2-3.2V for a brightness of 100cd/m2 could be demonstrated. These results represent the lowest ever reported operating voltage for LEDs consisting of exclusively vacuum sublimed molecular layers. The current efficiency for this device is above 10cd/A, hence, the power efficiency at 100cd/m2 is about 10lm/W. This high power efficiency could be achieved by the use of a blocking layer between the transport and the emission layer.

Organische Farbstoffe mit einem konjugierten pi-Elektronen System zeigen überwiegend ein halbleitendes Verhalten. Daher sind sie potentielle Materialien für elektronische und optoelektronische Anwendungen. Erste Anwendungen in Flachbildschirmen sind bereits in (noch) geringen Mengen auf dem Markt. Die kontrollierte Dotierung anorganischer Halbleiter bereitete die Basis für den Durchbruch der bekannten Halbleitertechnologie. Die Kontrolle des Leitungstypes und der Lage des Fermi-Niveaus erlaubte es, stabile pn-Übergänge herzustellen. LEDs können daher mit Betriebsspannungen nahe dem thermodynamischen Limit betrieben werden (ca. 2.5V für eine Emission im grünen Spektralbereich). Im Gegensatz dazu bestehen organische Leuchtdioden (OLEDs) typischerweise aus einer Folge intrinsischer Schichten. Diese weisen eine ineffiziente Injektion aus Kontakten und eine relative geringe Leitfähigkeit auf, welche mit hohen ohmschen Verlusten verbunden ist. Andererseits besitzen organische Materialien einige technologische Vorteile, wie geringe Herstellungskosten, große Vielfalt der chemischen Verbindungen und die Möglichkeit sie auf flexible große Substrate aufzubringen. Sie unterscheiden sich ebenso in einigen fundamentalen physikalischen Parametern wie Brechungsindex, Dielektrizitätskonstante, Absorptionskoeffizient und Stokes-Verschiebung der Emissionswellenlänge gegenüber der Absorption. Das Konzept der Dotierung wurde für organische Halbleiter bisher kaum untersucht und angewandt. Unser Ziel ist die Erniedrigung der Betriebsspannung herkömmlicher OLEDs durch den Einsatz der gezielten Dotierung der Transportschichten mit organischen Molekülen. Um die verbesserte Injektion aus der Anode in die dotierte Löchertransportschicht zu verstehen, wurden UPS/XPS Messungen durchgeführt (ultraviolette und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie). Messungen wurden an mit F4-TCNQ dotiertem Zink-Phthalocyanin auf ITO und Gold-Kontakten durchgeführt. Die Schlussfolgerungen aus den Experimenten ist, das (i) die Fermi-Energie sich durch Dotierung dem Transportniveau (also dem HOMO im Falle der vorliegenden p-Dotierung) annähert, (ii) die Diffusionspannung an der Grenzfläche durch Dotierung entsprechend verändert wird, und (iii) die Verarmungszone am Kontakt zum ITO sehr dünn wird. Der Kontakt aus organischem Material und leitfähigem Substrat verhält sich also ganz analog zum Fall der Dotierung anorganischer Halbleiter. Es entsteht ein stark dotierter Schottky-Kontakt dessen schmale Verarmungszone leicht durchtunnelt werden kann (quasi-ohmscher Kontakt). Die Leistungseffizienz von OLEDs mit dotierten Transportschichten konnte sukzessive erhöht werden, vom einfachen 2-Schicht Design mit dotiertem Phthalocyanine als Löchertransportschicht, über einen 3-Schicht-Aufbau mit einer Elektronen-Blockschicht bis zu OLEDs mit dotierten 'wide-gap' Löchertransport-Materialien, mit und ohne zusätzlicher Schicht zur Verbesserung der Elektroneninjektion. Sehr effiziente OLEDs mit immer noch niedriger Betriebsspannung wurden durch die Dotierung der Emissionsschicht mit Molekülen erhöhter Photolumineszenzquantenausbeute (Laser-Farbstoffe) erreicht. Eine optimierte LED-Struktur weist eine Betriebsspannung von 3.2-3.2V für eine Lichtemission von 100cd/m2 auf. Diese Resultate entsprechen den zur Zeit niedrigsten Betriebsspannungen für OLEDs mit ausschließlich im Vakuum aufgedampften Schichten. Die Stromeffizienz liegt bei ca. 10cd/A, was einer Leistungseffizienz bei 100cd/m2 von 10lm/W entspricht. Diese hohe Leistungseffizienz war nur möglich durch die Verwendung einer Blockschicht zwischen der dotierten Transportschicht und der Lichtemissions-Schicht. Im Rahmen der Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Dotierung die Betriebsspannungen von OLEDs senken kann und damit die Leistungseffizienz erhöht wird. Zusammen mit einer sehr dünnen Blockschicht konnte einen niedrige Betriebsspannung bei gleichzeitig hoher Effizienz erreicht werden (Blockschicht-Konzept). / Organic dyes with a conjugated pi-electron system usually exhibit semiconducting behavior. Hence, they are potential materials for electronic and optoelectronic devices. Nowadays, some applications are already commercial on small scales. Controlled doping of inorganic semiconductors was the key step for today's inorganic semiconductor technology. The control of the conduction type and Fermi-level is crucial for the realization of stable pn-junctions. This allows for optimized light emitting diode (LED) structures with operating voltages close to the optical limit (around 2.5V for a green emitting LED). Despite that, organic light emitting diodes (OLEDs) generally consist of a series of intrinsic layers based on organic molecules. These intrinsic organic charge transport layers suffer from non-ideal injection and noticeable ohmic losses. However, organic materials feature some technological advantages for device applications like low cost, an almost unlimited variety of materials, and possible preparation on large and flexible substrates. They also differ in some basic physical parameters, like the index of refraction in the visible wavelength region, the absorption coefficient and the Stokes-shift of the emission wavelength. Doping of organic semiconductors has only been scarcely addressed. Our aim is the lowering of the operating voltages of OLEDs by the use of doped organic charge transport layers. The present work is focused mainly on the p-type doping of weakly donor-type molecules with strong acceptor molecules by co-evaporation of the two types of molecules in a vacuum system. In order to understand the improved hole injection from a contact material into a p-type doped organic layer, ultraviolet photoelectron spectroscopy combined with X-ray photoelectron spectroscopy (UPS/XPS) was carried out. The experimental results of the UPS/XPS measurements on F4-TCNQ doped zinc-phthalocyanine (ZnPc) and their interpretation is given. Measurements were done on the typical transparent anode material for OLEDs, indium-tin-oxide (ITO) and on gold. The conclusion from these experiments is that (i) the Fermi-energy comes closer to the transport energy (the HOMO for p-type doping), (ii) the built-in potential is changed accordingly, and (iii) the depletion layer becomes very thin because of the high space charge density in the doped layer. The junction between a doped organic layer and the conductive substrate behaves rather similar to a heavily doped Schottky junction, known from inorganic semicondcutor physics. This behavior favors charge injection from the contact into the organic semiconductor due to tunneling through a very small Schottky barrier (quasi-ohmic contact). The performance of OLEDs with doped charge transport layers improves successively from a simple two-layer design with doped phthalocyanine as hole transport layer over a three-layer design with an electron blocking layer until OLEDs with doped amorphous wide gap materials, with and without additional electron injection enhancement and electron blocking layers. Based on the experience with the first OLEDs featuring doped hole transport layers, an ideal device concept which is based on realistic material parameters is proposed (blocking layer concept). Very high efficient OLEDs with still low operating voltage have been prepared by using an additional emitter dopant molecule with very high photoluminescence quantum yield in the recombination zone of a conventional OLED. An OLED with an operating voltage of 3.2-3.2V for a brightness of 100cd/m2 could be demonstrated. These results represent the lowest ever reported operating voltage for LEDs consisting of exclusively vacuum sublimed molecular layers. The current efficiency for this device is above 10cd/A, hence, the power efficiency at 100cd/m2 is about 10lm/W. This high power efficiency could be achieved by the use of a blocking layer between the transport and the emission layer.