Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Wachstumsmechanismus von Silberjodid Nanodrähten. Das Wachstum wurde über einen Zeitraum von Minuten bis hin zu Tagen untersucht. Im frühen Stadium bilden sich Silbernanopartikel innerhalb der Farbstoffröhren, welche als Keime für das weitere Wachstum von isolierten Drahtstücken dienen. Der Durchmesser dieser Drähte wird durch den Innendurchmesser der Röhren definiert. Im letzten Stadium wachsen diese Drahtstücke zusammen bis sie das gesamte Aggregat füllen. Dieser Wachstumsprozess impliziert einen Transport von Silber Ionen durch die Wand der Röhre. Das Wachstum der Drähte setzt sich weiter fort nachdem das Template gleichmäßig mit Drähten gefüllt ist und zerstört die Röhren in der Folge. Die Kristallstruktur der Drähte wurde sowohl mit hochauflösender Elektronenmikroskopie als auch Elektronenbeugung untersucht. Das Silberjodid konnte aufgrund seiner charakteristischen Wurtzite Struktur in der beta-Phase identifiziert werden. Da der Lösung nur Silbernitrat beigesetzt wurde, konnte die Quelle der Jod-Ionen als Verunreinigung im Farbstoffpulver ausgemacht werden. Das fragmentierte Wachstum der Drähte von verschiedenen Startpunkten aus führt zu Kristallen mit einkristallinen Domänen von mehr als 100 nm Länge. Eine bevorzugte Orientierung der Kristallstruktur relativ zur Aggregatachse wurde gefunden und durch die Molekülstruktur der Aggregate erklärt. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde ein Model zum Wachstum von Silberjodid Nanodrähten im Inneren eines röhrenförmigen Molekülaggregats entwickelt. Es wurde angenommen, dass das Wachstum an Silberkeimen beginnt, die durch Photooxidation der bereits vorhandenen Jod Ionen mit Silber Ionen während der Belichtung der Probe gebildet werden. Diese Silberkeime ermöglichen die Bildung von stabilen Silberjodid Kristalliten und das nachfolgende Wachstum zu Drähten. Die Ergebnisse zeigen einen möglichen Weg zur Synthese von Metall-Halogenid Strukturen innerhalb von Farbstoffröhren. / This thesis reports on the growth mechanism of silver iodide nanowires as revealed by conventional as well as cryogenic transmission electron microscopy. The growth, initiated by short illumination with UV light, has been observed over time scales ranging from minutes to days. In an early stage, within the tubular aggregates nanoparticles are formed which act as seeds for continuous growth of separate pieces of wires. The diameter of the wires is determined by the inner diameter of the tubes. In the final state, the pieces of wire totally fill the aggregate. The growth process indicates transport of at least silver ions through the tubular wall membrane. After homogeneously filling the template the wires grow onwards over the diameter of the nanotubes, destroying it in the process. The crystal structure of the wires was investigated by means of high resolution transmission electron microscopy and selected area electron diffraction. The silver iodide could be clearly identified in its beta-phase by its typical wurtzite structure. Since only silver nitrate was added to the solutions, the source of the iodide ions could be attributed to impurities within the dye powder itself. The fragmented growth of the wires from separate seeds leads to nanowires consisting of single crystalline domains exceeding 100 nm in length. A preferential orientation of the crystal lattice planes with respect to the aggregate axis was observed which is explained by the molecular structure of the aggregates. Based on these findings a model for the growth of silver iodide nanowires within the inner space of the tubular molecular aggregate is presented. The growth is assumed to start at silver seeds that are formed due to photo-oxidation of the already present iodide ions by the silver ions during the illumination of the sample. These silver seeds facilitate nucleation of silver iodide and subsequent growth into wires.

Diese Arbeit behandelt den Einfluss der Mg- und Si-Dotierung auf das Wachstum von InN-Nanodrähten (ND) sowie die Etablierung, Anwendung und Analyse des selektiven Wachstums von GaN-ND auf Si-Substraten. Das Ziel der Arbeit ist dabei die Herstellung von ND mit homogenen Abständen, Durchmessern und Längen. Zunächst wird die Si- und Mg-Dotierung von InN-ND untersucht. Dazu werden die einzelnen Wachstumsparameter variiert und deren Einfluss analysiert. Für die Si-Dotierung kann dabei eine nicht lineare Abhängigkeit der Morphologie der Nanodrähte mit der Substrattemperatur, dem In- und Si-Fluss beobachtet werden, sowie eine Erweiterung der Wachstumstemperatur zu Werten oberhalb des Einsetzens der Dekomposition bei gleichzeitig verbesserter Homogenität der Länge und des Durchmessers der ND. Für die Mg-Dotierung von InN-ND wird kein Einfluss auf die Morphologie beobachtet. Durch optische und elektrische Messungen wird ein Hinweis auf das erfolgreiche Einbringen der Mg-Atome als Akzeptoren beobachtet. Nach einer Voruntersuchung anhand von nicht-selektivem Wachstum bei hohen Substrattemperaturen, sowie einer Untersuchung zur Dekomposition von GaN-ND werden die Wachstumsparameter für das selektive Wachstum mit einem neuentwickelten Ansatz eingegrenzt. Anschließend wird innerhalb dieser Grenzen der Einfluss der Wachstumsparameter auf das selektive Wachstum untersucht. Ein Schwerpunkt dieser Untersuchungen wird auf die Nukleation gesetzt, bei der anhand von Variationen des Substratdesigns (Maskentyp, -material sowie Substratmaterial) und direkten Analysen für kurze Wachstumszeiten ein neuartiges Nukleationsmodell vorgeschlagen wird. Ein zweiter Schwerpunkt wird auf die Diffusion der Ga-Atome gesetzt. Es wird ein geometrisches Modell zur Analyse der Diffusion auf dem Substrat und den Seitenfacetten vorgeschlagen und durch experimentelle Daten untermauert. Anhand des Modells ergeben sich Diffusionslängen von 400 nm auf dem Substrat respektive 500 nm auf den ND-Seitenfacetten. / The influence of the Si- and Mg-doping of InN NWs as well as the selective area growth (SAG) of GaN NWs on Si substrates is developed, optimized and analyzed to obtain NWs with homogeneous periods, lengths and diameters. The variation of growth parameters for Si-doped InN NWs reveals a nonmonotonic morphology dependence and an extended growth window towards higher substrate temperatures. In addition, the NW density is reduced and the size homogeneity improved for high Si doping levels. In contrast, no impact on the morphology of the InN NWs is observed under Mg-doping. Nevertheless, indications of a successful incorporation of the Mg-acceptors are found by optical and electrical studies. The non-selective growth of GaN NWs at high substrate temperatures is investigated for various Ga-fluxes and substrate temperatures. Furthermore, the decomposition of GaN NWs is observed with an investigation of the NW morphology and the Ga desorption during growth. The nucleation on the mask (Si) and the substrate (AlN) is investigated with a new approach to define a growth window for the SAG. Within this window, the influence of the substrate temperature, growth time, Ga- and N-flux on the SAG is investigated by a separate variation for each parameter. An optimal set of growth parameters with respect to a homogeneous NW morphology is obtained. The growth on substrates with different mask types, mask materials and substrate materials reveals a novel nucleation mechanism. The asymmetric nucleation in the holes of the mask could be attributed to a local increase in the Ga-supply by blocking the impinging Ga-flux at the vertical sidewalls. The diffusion of Ga-atoms on the substrate and the NW is finally investigated. A descriptive model is proposed and the fit to experimental data reveals a diffusion length of 400 nm. The limitation of the axial growth is explained by the diffusion length of Ga atoms on the NW sidewall and a diffusion length of approximately 500 nm is obtained.

Die Transporteigenschaften eines Elektronengases mit reduzierter Dimensionalität werden von den Welleneigenschaften der Elektronen bestimmt. Dies ermöglicht es, verschiedene Quanteneffekte, wie Quanteninterferenz, zu beobachten. Im ersten Teil dieser Arbeit werden geätzte Quantenringe und eindimensionale (1D) Verengungen, basierend auf AlxGa1-xAs/GaAs-Heterostrukturen, hinsichtlich ihrer Transporteigenschaften untersucht. Messungen des thermischen Rauschens im Gleichgewichtszustand zeigen, dass der Erwartungswert mit den Rauschspektren aller 1D Verengungen übereinstimmt, jedoch um bis zu 60 % bei allen Quantenringen überschritten wird. Rauschmessungen im thermischen Nichtgleichgewicht ergeben, dass der Wärmefluss in Quantenringen mithilfe einer globalen Steuerelektrode (Topgate) an- und ausgeschaltet werden kann. Die magnetische Widerstandsänderung der Quantenringe zeigt Oszillationen, die dem Aharonov-Bohm-Effekt zugeordnet werden. Die Beobachtbarkeit dieser Oszillationen hängt stark von dem Abkühlvorgang der Probe ab und die Oszillationen zeigen Hinweise auf ein Schwebungsmuster sowie auf Phasenstarre. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Oberflächenzustände von exfolierten Bi2Se3 Mikroflocken untersucht. Für Mikroflocken mit metallischen Temperaturabhängigkeiten des Widerstandes wurde schwache Anti-Lokalisierung beobachtet. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass sich die magnetische Widerstandsänderung weniger ausschließlich aus den 2D Oberflächenkanälen als vielmehr aus einem geschichtetem Transport von 2D Kanälen im Volumenkörper zusammensetzt. Eine Mikroflocke mit halbleitenden Eigenschaften zeigt keine Hinweise auf solch einen geschichteten 2D Transport und es wird angenommen, dass ihre magnetische Widerstandsänderung ausschließlich von den 2D Oberflächenzuständen verursacht wird. / The transport properties of an electron gas with reduced dimensionality are dominated by the electron’s wave nature. This allows to observe various quantum effects, such as quantum interference. In the first part of this thesis etched quantum rings and one-dimensional (1D) constrictions, based on AlxGa1-xAs/GaAs heterostructures, are investigated with respect to their transport properties. Thermal noise measurements in equilibrium show that the expectation value agrees with the noise spectra of all 1D constrictions but is exceeded by up to 60 % for the noise spectra of all quantum rings. Noise measurements in thermal non-equilibrium reveal that the heat flow can be switched on and off for a quantum ring by a global top-gate. The measured magnetoresistance of the quantum rings shows oscillations that are attributed to the Aharonov-Bohm effect. The observability of these oscillations strongly depends on the cooling process of the sample and the oscillations show indications of a beating as well as phase rigidity. In the second part of the thesis the surface states of exfoliated Bi2Se3 microflakes are studied. For microflakes that show a metallic temperature dependence of the resistance weak anti-localization is observed. This observation suggests that the magnetoresistance is a result of layered transport of 2D channels in the bulk rather than just the surface 2D channels. A microflake with semiconducting characteristics does not show indications of such a 2D layered transport and its magnetoresistance is considered to be carried by the 2D surface states only.

Thema dieser Arbeit ist die Synthese von GaAs Nanodrähten mittels Molekularstrahlepitaxie. Dabei wird das Wachstum mittels Au- und jenes mittels selbst-induziertem VLS-Mechanismus verglichen. Die Au-induzierte Methode ist als vielseitiger Ansatz für die Herstellung von Nanodrähten bekannt. Darüberhinaus wird seit Neuerem der selbst-induzierte Mechanismus untersucht, bei dem Galliumtropfen die Rolle des Goldes übernehmen, um eine etwaige Verunreinigung mit Au von vornherein auszuschliessen. Mit beiden Wachstumsmethoden erzielen wir GaAs Nanodrähte mit großem Aspektverhältnis und epitaktischer Beziehung zum Si(111) Substrat. Während des Au-induzierten Wachstums entsteht eine parasitäre Schicht zwischen den Drähten, die mittels des selbst-induzierten Mechanismus vermieden werden. Alle GaAs Drähte sind vollständig relaxiert. Die durch die Gitterfehlanpassung (4,1\% zwischen GaAs und Si) verursachte Verspannung wird durch Versetzungen an der Grenzfläche abgebaut. Selbst-induzierte Drähten zeigen ausschließlich unpolare Seitenfacetten, während verschiedene polare Facetten für Au-induzierte Nanodrähte beschrieben werden. Mittels VLS-Nukleationstheorie könnne wir den Einfluss des Tropfenmaterials auf die Stabilität der verschiedenen Seitenfacetten erklären. Optoelektronische Anwendungen benötigen lange Minoritätsladungsträgerlebensdauern bei Raumtemperatur. Daher wurden mit (Al,Ga)As Hüllen ummantelte GaAs Nanodrähte mittels zeitaufgelöster PL vermessen. Das Ergebnis sind 2,5 ns für die selbst-induzierten aber nur 9 ps für die Au-induzierten Nanodrähte. Durch temperaturabhängige PL Messungen kann eine charakteristische Aktivierungsenergie von 77 meV nachgewiesen werden, die nur in den Au-induzierten Nanodrähten vorliegt. Dies suggeriert, dass sich Au aus den Tröpfchen in die GaAs Nanodrähte einbaut und dort als tiefes, nichtstrahlendes Rekombinationszentrum fungiert. / In this work the synthesis of GaAs nanowires by molecular beam epitaxy (MBE) using the vapour-liquid-solid (VLS) mechanism is investigated. A comparison between Au- and self-assisted VLS growth is at the centre of this thesis. While the Au-assisted method is established as a versatile tool for nanowire growth, the recently developed self-assisted variation results from the exchange of Au by Ga droplets and thus eliminates any possibility of Au incorporation. By both methods, we achieve nanowires with epitaxial alignment to the Si(111) substrates. Caused by differences during nanowire nucleation, a parasitic planar layer grows between the nanowires by the Au-assisted method, but can be avoided by the self-assisted method. Au-assisted nanowires grow predominantly in the metastable wurtzite crystal structure, while their self-assisted counterparts have the zincblende structure. All GaAs nanowires are fully relaxed and the strain arising from the lattice mismatch between GaAs and Si of 4.1\% is accommodated by misfit dislocations at the interface. Self-assisted GaAs nanowires are generally found to have vertical and non-polar side facets, while tilted and polar nanofacets were described for Au-assisted GaAs nanowires. We employ VLS nucleation theory to understand the effect of the droplet material on the lateral facets. Optoelectronic applications require long minority carrier lifetimes at room temperature. We fabricate GaAs/(Al,Ga)As core-shell nanowires and analyse them by transient photoluminescence (PL) spectroscopy. The results are 2.5 ns for the self-assisted nanowires as well as 9 ps for the Au-assisted nanowires. By temperature-dependent PL measurements we find a characteristic activation energy of 77 meV that is present only in the Au-assisted nanowires. We conclude that most likely Au is incorporated from the droplets into the GaAs nanowires and acts as a deep, non-radiative recombination centre.

Diese Arbeit demonstriert die vollständige thermoelektrische Charakterisierung einzelner einkristalliner Bismuttellurid- und Silbernanodrähte und deren anschließende lokale strukturelle und chemische Charakterisierung mittels analytischer Transmissionselektronenmikroskopie. Die lokale strukturelle, chemische und morphologische Charakterisierung entlang der Nanodrähte trägt essentiell zum Verständnis des thermoelektrischen Transportes bei und bestätigt die Korrelation zwischen Oberflächen- und den thermoelektrischen Eigenschaften. Für durchmesservariierte Bismuttelluridnanodrähte wird der Einfluss der Morphologie auf die Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur quantifiziert. Im Vergleich zu einem glatten Referenznanodraht zeigt der durchmesservariierte Nanodraht gleicher Zusammensetzung und Kristallorientierung eine Reduktion der Wärmeleitfähigkeit um 55 %. Diese Reduktion kann durch Phononenrückstreuung an der eingekerbten Oberfläche erklärt werden. Die elektrische Leitfähigkeit und der Seebeckkoeffizient der Bismuttelluridnanodrähte deuten auf einen topologischen Oberflächenzustand hin. Für Silbernanodrähte werden die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit im Temperaturbereich von 1,4 K bis 300 K gemessen. Mit fallender Temperatur steigt die relative Reduktion der Wärmeleitfähigkeit im Verhältnis zur elektrischen Leitfähigkeit stärker, sodass die Lorenzzahl die klassische Wiedemann-Franz-Relation nicht erfüllt und eine Funktion der Temperatur darstellt. Der Temperaturverlauf der Lorenzzahl der Silbernanodrähte entspricht der 1938 von Makinson aufgestellten Theorie für hochreine Metalle und ist im Tieftemperaturbereich um bis zu zwei Größenordnungen zum Sommerfeldwert reduziert. / This work demonstrates the full thermoelectric characterisation of individual single crystalline bismuth telluride and silver nanowires and their subsequent local structural and chemical characterisation via analytical transmission electron microscopy along the whole nanowires. Therefore, the correlation between the structure, in particular the surface morphology, and the thermoelectric transport properties is unambiguously shown. For diameter varied bismuth telluride nanowires the influence of the morphology on the thermal conductivity is quantified at room temperature. The diameter varied nanowire shows a reduction of 55 % with respect to the smooth nanowire of the same chemical composition and structural orientation. This reduction can be explained by phonon backscattering at the indents. The electrical conductivity and the Seebeck coefficient indicate the presence of a topological surface state. For silver nanowires the electrical and thermal conductivity are determined in the temperature range between 1.4 K and 300 K. With decreasing temperature the relative reduction of the thermal conductivity is higher than the reduction of the electrical conductivity resulting in a temperature-dependent Lorenz number, so that the classical Wiedemann-Franz relation is not fulfilled. The temperature characteristic of the silver nanowires'' Lorenz number is in agreement with the theory Makinson established for highly pure metals in 1938 and is reduced by two orders of magnitude with respect to the Sommerfeld value in the low temperature regime.

Diese Arbeit gibt einen tiefgehenden Einblick in verschiedene Aspekte von auf (In,Ga)N/GaN Heterostrukturen basierenden Leuchtdioden (LEDs), mittels Molekularstrahlepitaxie entlang der Achse von Nanodrähten (NWs) auf Si Substraten gewachsen. Insbesondere wurden die Wachstumsparameter angepasst, um eine Koaleszierung der Nanodrähte zu vermindern. Auf diese Weise konnte die durch die NW-LEDs emittierte Intensität der Photolumineszenz (PL) um einen Faktor zehn erhöht werden. Die opto-elektronischen Eigenschaften von NW-LEDs konnten durch die Verwendung von Indiumzinoxid, anstatt von Ni/Au als Frontkontakt, verbessert werden. Zudem wurde demonstriert, dass auch selektives Wachstum (SAG) von GaN NWs auf AlN gepufferten Si Substraten mit einer guten Leistungsfähigkeit von Geräte vereinbar ist und somit als Wegbereiter für eine neue Generation von NW-LEDs auf Si dienen kann. Weiterhin war es möglich, strukturierte Felder von ultradünnen NWs durch SAG und thermische in situ Dekomposition herzustellen. In den durch die NW-LEDs emittierten Elektrolumineszenzspektren (EL) wurde eine Doppellinenstruktur beobachtet, die höchstwahrscheinlich von den kompressiven Verspannungen im benachbarten Quantentopf, durch die Elektronensperrschicht verursachten, herrührt. Die Analyse von temperaturabhängigen PL- und EL-Messungen zeigt, dass Ladungsträgerlokalisierungen nicht ausschlaggebend für die EL-Emission von NW-LEDs sind. Die Strom-Spannungs-Charakteristiken (I-V) von NW-LEDs unter Vorwärtsspannung wurden mittels eines Modells beschrieben, in das die vielkomponentige Natur der LEDs berücksichtigt wird. Die unter Rückwärtsspannung aktiven Transportmechanismen wurden anhand von Kapazitätstransientenmessungen und temperaturabhänigigen I-V-Messungen untersucht. Dann wurde ein physikalisches Modell zur quantitativen Beschreibung der besonderen I-V-T Charakteristik der untersuchten NW-LEDs entwickelt. / This PhD thesis provides an in-depth insight on various crucial aspects of light-emitting diodes (LEDs) based on (In,Ga)N/GaN heterostructures grown along the axis of nanowires (NWs) by molecular beam epitaxy on Si substrates. In particular, the growth parameters are adjusted so as to suppress the coalescence of NWs; in this way the photoluminescence (PL) intensity emitted from the NW-LEDs can be increased by about ten times. The opto-electronic properties of the NW-LEDs can be further improved by exclusively employing indium tin oxide instead of Ni/Au as top contact. Furthermore, the compatibility of selective-area growth (SAG) of GaN NWs on AlN-buffered Si substrates with device operation is demonstrated, thus paving the way for a new generation of LEDs based on homogeneous NW ensembles on Si. Ordered arrays of ultrathin NWs are also successfully obtained by combining SAG and in situ post-growth thermal decomposition. A double-line structure is observed in the electroluminescence (EL) spectra emitted by the NW-LEDs; it is likely caused by compressive strain introduced by the (Al,Ga)N electron blocking layer in the neighbouring (In,Ga)N quantum well. An in-depth analysis of temperature dependent PL and EL measurements indicates that carrier localization phenomena do not dominate the EL emission properties of the NW-LEDs. The forward bias current-voltage (I-V) characteristics of different NW-LEDs are analysed by means of an original model that takes into account the multi-element nature of LEDs based on NW ensembles by assuming a linear dependence of the ideality factor on applied bias. The transport mechanisms in reverse bias regime are carefully studied by means of deep level transient spectroscopy (DLTS) and temperature dependent I-V measurements. The physical origin of the detected deep states is discussed. Then, a physical model able to describe quantitatively the peculiar I-V-T characteristics of NW-LEDs is developed.