In dieser Dissertation wird die Struktur von ultradünnen Schichten auf atomar ebenen Festkörperoberflächen durch die streifende Streuung von Atomen und Molekülen untersucht. Dabei werden Atome mit kinetischen Energien im keV-Bereich unter flachem Einfallswinkel von etwa 1° an der Oberfläche gestreut und mit einem ortsauflösenden Detektor nachgewiesen. Bei hinreichend kleinen Projektilenergien werden Beugungserscheinungen beobachtet, die durch Interferenz von Materiewellen erklärt werden können. Die Auswertung der Intensität der Beugungsreflexe ermöglicht die Bestimmung von Atompositionen. Wird die Probe azimutal verdreht, ändern sich die seitliche Ablenkung der Projektile und die Zahl der während des Streuprozesses an der Oberfläche emittierten Elektronen. Dies wird zur Identifikation von Richtungen mit dichtgepackten Atomketten genutzt und der Vergleich mit Trajektoriensimulationen gestattet Rückschlüsse auf die Atompositionen der obersten Lage. Beim System einer Atomlage SiO2/Mo(112) kann durch mehrere Messmethoden eindeutig zwischen zwei konkurrierenden Strukturmodellen unterschieden und die Atompositionen eines Modells mit hoher Genauigkeit bestätigt werden. Die Adsorption von Sauerstoff auf einer Mo(112)-Oberfläche wird detailliert studiert und für mehrere Überstrukturphasen werden Modelle aufgestellt. Für V2O3/Au(111) kann durch Triangulationsmessungen eine geringfügige Modifikation eines existierenden Strukturmodells abgeleitet werden. Auf einer Cu(001)-Oberfläche werden dünne, kristalline FeO und Fe3O4-Schichten präpariert und untersucht. Die Inkommensurabilität der quadratischen Substrat- und der hexagonalen Adsorbateinheitszelle führt zu komplexen LEED-Mustern, die durch Mehrfachstreuung erklärt werden können. Dies ist auch der Schlüssel zur Erklärung der Beugungsbilder bei Adsorbatstrukturen der chiralen Aminosäure Alanin auf Cu(110) und damit die Grundlage für die Aufstellung eines Strukturmodells für dieses System. / In this thesis the structure of ultrathin films on atomically flat crystal surfaces is investigated by means of grazing scattering of atoms and molecules. Atoms with kinetic energies in the keV regime are scattered from the surface under small angles of incidence of approximately 1° and are detected by means of a position-sensitive detector. For sufficiently small projectile energies diffraction phenomena are observed which can be explained by interference of matter waves. The analysis of the intensities of diffraction spots makes it possible to determine atomic positions. When the sample is rotated azimuthally the deflection of projectiles and the number of emitted electrons during the scattering process at the surface varies. This is used to identify directions with close-packed strings of atoms and comparison with trajectory simulations gives information on atomic positions of the topmost layer. For the system of one atomic layer of SiO2/Mo(112) it can be unambiguously distinguished between two competing structural models. The positions of atoms of one model are confirmed with high accuracy by the use of several methods. The adsorption of oxygen on a Mo(112) surface is studied in detail and for several superstructure phases models are proposed. For the surface of a V2O3 layer on a Au(111) substrate a slight modification of an existing structural model is derived by means of triangulation measurements. On a Cu(001) surface thin crystalline FeO and Fe3O4 films are grown and studied. The incommensurability of the quadratic substrate with the hexagonal adsorbate surface unit cell gives rise to complex pattern for low energy electron diffraction, which can be explained by multiple scattering. This is also the key to the explanation of diffraction images for adsorbate structures of the chiral amino acid alanine on Cu(110) and the basis for developing a structural model for this system.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines vielseitigen Messinstruments, um die für Thermoelektrika entscheidendeMaterialeigenschaft - den Seebeckkoeffizienten - zu ermitteln. Dieses Instrument ermöglicht es, mit einem einzigen Gerät unterschiedliche Probenarten zu messen, wofür in herkömmlichen Messverfahren mehrere Geräte notwendig sind. Um diese Vielseitigkeit aufzuzeigen, wurde das entwickelte Instrument an einer Vielzahl unterschiedlicher Proben von Dünnschichten, Pulvern und Pasten getestet. Am Beispiel der Dünnschichtmaterialen wurden mit dem hier entwickelten Messgerät und anderen Messmethoden, wie zum Beispiel Röntgenfluoreszenz mit streifendem Einfallswinkel, Rasterkraftmikroskopie und Photoelektronenspektroskopie, Zusammenhänge zwischen den thermoelektrischen Eigenschaften und der Struktur der Materialien hergestellt. Der Seebeckkoeffizient der Kupferoxide wurde durch das Tempern in einer Sauertoffatmosphäre verbessert. Bei organischen mehrschichtigen DMSO-dotierten PEDOT:PSS Filmen wurde überraschenderweise eine Verbesserung der thermoelektrischen Eigenschaften - vor allem der Leitfähigkeit - festgestellt. Für die Erhöhung der Leitfähigkeit im Vergleich zu einschichtigen Filmen wurden Mechanismen vorgeschlagen. Aufgrund der Minimierung des Widerstandes sind die PEDOT:PSS Filme vielversprechende Materialien für flexible thermoelektrische Generatoren. Darüber hinaus wurden Finite-Elemente-Methode-Simulationen zur Wärmeleitfähigkeit von thermoelektrischen Materialien ausgeführt, um einen Herstellungsprozess für Dünnschicht-Thermoelektrika vorzuschlagen, der mittels bereits etablierter Methoden in der Massenproduktion von thermoelektrischen Generatoren durchgeführt werden kann. / This thesis describes the development of a versatile, low-cost measurement instrument that can determine Seebeck coefficients for a multitude of samples such as thin films, powders, and pastes. Commercial instruments are relatively expensive and limited to one sample type. The developed device applied on several thermoelectric thin-film systems produced the same results as a standard commercial instrument. In addition, it was used to determine Seebeck coefficients for thermoelectric pastes and powders. For thin-film materials, the developed device, in combination with other measuring methods such as grazing incidence X-ray fluorescence, atomic force microscopy, and photoelectron spectroscopy was used to establish relations between the thermoelectric properties and the material‘s structures. Based on these results, organic DMSO doped PEDOT:PSS multilayer films were developed with improved thermoelectric properties making them promising materials for flexible thermoelectric generators. Furthermore, finite element method simulations on the thermal conductivity of thermoelectric materials were conducted in order to propose a manufacturing process for thin-film thermoelectrics, which can be carried out with already established methods in the mass production of thermoelectric generators.

In dieser Dissertation wurde die Beziehung zwischen den strukturellen, optischen und Ladungstransporteigenschaften von dotierten ZnO- und Zn1-xMgxO-Schichten eingehend untersucht. Das Ziel war es, die oben genannten Zusammenhänge weiter aufzuklären, wodurch sich anschließend Ansätze für eine zielgerichtete Verbesserung der Schichteigenschaften ableiten lassen. Zunächst konzentriert sich die Arbeit auf das Wachstum der ZnO-Schichten, um wichtige strukturelle Parameter, wie zum Beispiel Korngrößen und Defektdichten, mittels Röntgendiffraktometrie und Transmissionselektronenmikroskopie zu bestimmen. Diese strukturellen Parameter wurden dann als Modellparameter für die theoretische Modellierung des Transports der freien Ladungsträger verwendet. Temperaturabhängige Hall-, Leitfähigkeits- und Seebeck-Koeffizient-Messungen zeigten, dass der elektrische Transport hauptsächlich durch die Streuung der Ladungsträger an ionisierten Störstellen und Korngrenzen limitiert wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die theoretische Beschreibung der Streuung an Korngrenzen auf entartet dotierte Halbleiter erweitert. Diese Ergebnisse wurden dann genutzt, um ein qualitatives Modell zu formulieren, welches den Zusammenhang zwischen dem Magnetron-Sputter-Abscheidungsprozess und den strukturellen und elektrischen Eigenschaften der Schichten herstellt. Gemäß diesem Modell sind die Schichteigenschaften bei niedrigen Abscheidungstemperaturen hauptsächlich durch die Bildung akzeptoratiger Sauerstoffzwischengitterdefekte bestimmt, die einen Teil der extrinsischen Dotanden kompensieren. Diese Defekte werden durch ein Bombardement der wachsenden Schicht mit hochenergetischen negativen Sauerstoffionen verursacht. Bei höheren Abscheidungstemperaturen dominiert die Bildung von sekundären Phasen oder Defektkomplexen, in denen der Dotant elektrisch inaktiv ist. / In this thesis, the relation between the structural, optical, and charge carrier transport properties of magnetron sputtered doped ZnO and Zn1-xMgxO films has been investigated in detail. The objective was to clarify the above mentioned relations, which allows to derive solutions for a deliberate improvement of the layer properties. The work first focusses on the growth of the ZnO layers to determine important structural properties like grain sizes and defect densities via X-ray diffraction and transmission electron microscopy investigations. These structural properties were then used as model parameters for the theoretical modelling of the charge carrier transport. The temperature dependent Hall, conductivity and Seebeck coefficient measurements show that the transport is mainly limited by grain boundary scattering and ionized impurity scattering. The theoretical description of the grain boundary scattering has been extended in this work to also include degenerate semiconductors. Based on the results on the structural and electronic properties, in a next step a qualitative model was developed which explains the correlation between the magnetron sputtering deposition process and the structural and electronic properties of the films. According to this model, the properties of the films are mainly influenced by the formation of electrically active acceptor-like oxygen interstitial defects at low deposition temperatures, which lead to a partial compensation of the extrinsic donors. These defects are caused by a bombardment of the growing film by high-energetic negative oxygen ions. At higher deposition temperatures, the formation of secondary phases or defect complexes, in which the dopant is electrically inactive, prevails.

Die Sammlung der zwei-dimensionalen (2D) Materialien ist begrenzt, da sehr wenige Verbindungen stabil bleiben, sobald sie nur aus Oberflächen bestehen. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften sind 2D Materialien jedoch nach wie vor überaus begehrt. Vor kurzem wurden atomar definierte, chemisch gesättigte SiO2 Bilagen auf verschiedenen Metalloberflächen präpariert. Eine solche ultradünne Silika-Lage wäre eine vielversprechende Ergänzung zur Familie der 2D Materialien, wenn sie unter Strukturerhalt vom Wachstumssubstrat isoliert werden kann. In dieser Arbeit untersuchen wir die Eigenschaften einer Silika-Bilage im Zusammenhang mit Anwendungen von 2D Materialien. Die Bilage besitzt kristalline und amorphe Regionen, die beide atomar glatt sind. Die kristalline Region besitzt ein hexagonales Gitter mit gleichmäßiger Porengröße, während die amorphe Region einer komplexeren Beschreibung bedarf. In einer Studie von Baublöcken zeigen wir, dass mittelreichweitige Struktureinheiten in Korrelation mit einem Parameter für die Bindungswinkelfrustration auftreten. Das Netzwerk verschiedener Nanoporen stellt eine größenselektive Membran dar, wie wir in einer Adsorptionsstudie zeigen. Pd- und Au-Atome durchdringen den Silikafilm abhängig von der Größe der zur Verfügung stehenden Nanoporen. Der ultradünne Film hält der Einwirkung verschiedener Lösungsmittel stand und die Beständigkeit der Struktur in Wasser wird analysiert. Diese Studien deuten die außergewöhnliche Stabilität dieser Struktur an. Wir entwickeln eine polymerbasierte mechanische Exfoliation, um den Film von seinem Wachstumssubstrat zu entfernen, und zeigen, dass der Film als intakte Einheit vom Substrat abgelöst wird. Wir präsentieren anschließend den Transfer des Silikafilms auf ein TEM-Gitter, wo er schraubenartig gewundene Formen annimmt. Weiterhin wurde der Film auf ein Pt(111)-Substrat transferiert. In diesem Fall wird unter Erhalt der Struktur ein Transfer in der Größenordnung von Millimetern erreicht. / The library of two-dimensional (2D) materials is limited, since only very few compounds remain stable when they consist of only surfaces. Yet, due to their extraordinary properties, the hunt for new 2D materials continues. Recently, an atomically defined, self-saturated SiO2 bilayer has been prepared on several metal surfaces. This ultrathin silica sheet would be a promising addition to the family of 2D materials, if it can be isolated from its growth substrate without compromising its structure. In this work, we explore the properties of a silica bilayer grown on Ru(0001) in the context of 2D technology applications. The bilayer sheet exhibits crystalline and amorphous regions, both being atomically flat. The crystalline region possesses a hexagonal lattice with uniform pore size, while the amorphous region requires a more complex description. In a building block study of the amorphous region, we find that medium range structural patterns correlate with a parameter describing the bond angle frustration. The resulting network of different nanopores represents a size-selective membrane, as illustrated in an adsorption study. Pd and Au atoms are shown to penetrate the silica film selectively, depending on the presence of appropriately sized nanopores. The ultrathin silica film is shown to withstand exposure to different solvents and the stability of the structure in water is analyzed. These studies indicate extraordinary stability of this nanostructure. We develop a polymer assisted mechanical exfoliation method for removing the film from the growth substrate, providing evidence that the film is removed as an intact sheet from the growth substrate. We subsequently present the transfer of the silica bilayer to a TEM grid, where it forms micro-ribbons. Further, the film is transferred to a Pt(111) substrate, where mm-scale transfer under retention of the structure is achieved.

In dieser Arbeit wird das Wachstum von dünnen quasi-kristallinen Ge-Sb-Te (GST) Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie demonstriert, die zu einer geordneten Konfiguration von intrinsischen Kristallgitterfehlstellen führen. Es wird gezeigt, wie es eine Strukturanalyse basierend auf Röntgenstrahlbeugungssimulationen, Dichtefunktionaltheorie und Transmissionselektronenmikroskopie ermöglicht, eine eindeutige Beurteilung der Kristallgitterlückenanordnung in den GST-Proben vorzunehmen. Das Verständnis für die Ordnungsprozesse der Gitterfehlstellen erlaubt eine gezielte Einstellung des Ordnungsgrades selbst, der mit der Zusammensetzung und der Kristallphase des Materials in Zusammenhang steht. Auf dieser Basis wurde ein Phasendiagramm mit verschiedenen Wachstumsfenstern für GST erstellt. Des Weiteren wird gezeigt, dass man eine hohe Ordnung der Gitterfehlstellen in GST auch durch Ausheizprozesse und anhand von Femtosekunden-gepulster Laserkristallisation von amorphem Material erhält, das zuvor auf einem als Kristallisationsgrundlage dienenden Substrat abgeschiedenen wurde. Diese Erkenntnis ist bemerkenswert, da sie zeigt, dass sich kristalline GST Schichten mit geordneten Kristallgitterlücken durch verschiedene Herstellungsprozesse realisieren lassen. Darüber hinaus wurde das Wachstum von GeTe/Sb2Te3 Übergittern durchgeführt, deren Struktur die von GST mit geordneten Gitterfehlstellen widerspiegelt. Die Möglichkeit den Grad der Gitterfehlstellenordung in GST gezielt zu manipulieren wurde mit einer Studie der Transporteigenschaften kombiniert. Die Anwendung von großflächigen Charakterisierungsmethoden wie XRD, Raman und IR-Spektroskopie, erlaubte die Bestimmung der Phase und des Fehlstellenordnungsgrades von GST und zeigte eindeutig, dass die Fehlstellenordnung für den Metall-Isolator-Übergang (MIT) verantwortlich ist. Insbesondere wird durch das Vergleichen von XRD-Messungen mit elektrischen Messungen gezeigt, dass der Übergang von isolierend zu leitend erfolgt, sobald eine Ordnung der Kristallgitterlücken einsetzt. Dieses Phänomen tritt in der kubischen Kristallphase auf, wenn Gitterfehlstellen in GST von einem ungeordneten in einen geordneten Zustand übergehen. Im zweiten Teil des Kapitels wird eine Kombination aus FIR- und Raman-Spektroskopie zur Untersuchung der Vibrationsmoden und des Ladungsträgerverhaltens in der amorphen und der kristallinen Phase angewendet, um Aktivierungsenergien für die Elektronenleitung, sowohl für die kubische, als auch für die trigonale Kristallphase von GST zu bestimmen. Hier ist es wichtig zu erwähnen, dass, in Übereinstimmung mit Ergebnissen aus anderen Untersuchungen, das Auftauchen eines MIT beim Übergang zwischen der ungeordneten und der geordneten kubischen Phase beobachtet wurde. Schlussendlich wurden verschiedene sogenannte Pump/Probe Technik, bei der man das Material mit dem Laser anregt und die Röntgenstrahlung oder Terahertz (THz)-spektroskopie als Sonde nutzt, angewandt. Dies dient um ultra-schnelle Dynamiken zu erfassen, die zum Verständnis der Umschaltmechanismen nötig sind. Die Empfindlichkeit der THz-Messungen hinsichtlich der Leitfähigkeit, sowohl in GST, als auch in GeTe/Sb2Te3 Übergittern zeigte, dass die nicht-thermische Natur der Übergitterumschaltprozesse mit Grenzflächeneffekten zusammenhängt und . Der Ablauf wird mit beeindruckender geringer Laser-Fluenz erreicht. Dieses Ergebnis stimmt mit Berichten aus der Literatur überein, in denen ein Kristall-zu Kristallwechsel von auf Übergittern basierenden Speicherzellen für effizienter gehalten wird als GST Schmelzen, was zu einen ultra-schwachen Energieverbrauch führt. / The growth by molecular beam epitaxy of Ge-Sb-Te (GST) alloys resulting in quasi-single-crystalline films with ordered configuration of intrinsic vacancies is demonstrated. It is shown how a structural characterization based on transmission electron microscopy, X-ray diffraction and density functional theory, allowed to unequivocally assess the vacancy ordering in GST samples, which was so far only predicted. The understanding of the ordering process enabled the realization of a fine tuning of the ordering degree itself, which is linked to composition and crystalline phase. A phase diagram with the different growth windows for GST is obtained. High degree of vacancy ordering in GST is also obtained through annealing and via femtosecond-pulsed laser crystallization of amorphous material deposited on a crystalline substrate, which acts as a template for the crystallization. This finding is remarkable as it demonstrates that it is possible to create a crystalline GST with ordered vacancies by using different fabrication procedures. Growth and structural characterization of GeTe/Sb2Te3 superlattices is also obtained. Their structure resembles that of ordered GST, with exception of the Sb and Ge layers stacking sequence. The possibility to tune the degree of vacancy ordering in GST has been combined with a study of its transport properties. Employing global characterization methods such as XRD, Raman and Far-Infrared spectroscopy, the phase and ordering degree of the GST was assessed, and unequivocally demonstrated that vacancy ordering in GST drives the metal-insulator transition (MIT). In particular, first it is shown that by comparing electrical measurements to XRD, the transition from insulating to metallic behavior is obtained as soon as vacancies start to order. This phenomenon occurs within the cubic phase, when GST evolves from disordered to ordered. In the second part of the chapter, a combination of Far-Infrared and Raman spectroscopy is employed to investigate vibrational modes and the carrier behavior in amorphous and crystalline phases, enabling to extract activation energies for the electron conduction for both cubic and trigonal GST phases. Most important, a MIT is clearly identified to occur at the onset of the transition between the disordered and the ordered cubic phase, consistently with the electrical study. Finally, pump/probe schemes based on optical-pump/X-ray absorption and Terahertz (THz) spectroscopy-probes have been employed to access ultrafast dynamics necessary for the understanding of switching mechanisms. The sensitivity of THz-probe to conductivity in both GST and GeTe/Sb2Te3 superlattices showed that the non-thermal nature of switching in superlattices is related to interface effects, and can be triggered by employing up to one order less laser fluences if compared to GST. Such result agrees with literature, in which a crystal to crystal switching of superlattice based memory cells is expected to be more efficient than GST melting, therefore enabling ultra-low energy consumption.