Die Herstellung von ultradünnen Germaniumdioxidfilmen auf Metallsubstraten ist erstmals erfolgreich gelungen. Die Filmstruktur konnte mittels oberflächensensitiven Techniken mit atomarer Präzision und chemischer Sensitivität aufgelöst werden. Zur Untersuchung werden STM-Bilder analysiert und durch niederenergetische Elektronenbeugung (LEED), eine dynamischen LEED-Studie und extern ausgeführte Dichtefunktionaltheorieberechnungen (DFT) ergänzt. In dieser Arbeit werden atomar aufgelöste Rastertunnelmikroskopiebilder (STM) von ultradünnen Germaniumdioxid- und Siliziumdioxidfilmen direkt verglichen. Ziel der Analyse ist es, den Einfluss des Metallsubstrats auf die Struktur von Oxidfilmen zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden ultradünne Germaniumdioxid-Filme auf Ru(0001), Pt(111) und Au(111) abgeschieden und mit Siliziumdioxid-Filmen auf verschiedenen Substraten verglichen, die in früheren Studien untersucht wurden. Germaniumdioxid und Siliziumdioxid sind eng miteinader verknüpft. Hierbei sind Struktur und chemische Eigenschaften als äquivalent anzusehen. Es wurden drei verschiedene Netzwerkstrukturen aufgeklärt: Monolagen-, Zickzack- und Bilagenfilme. Die einzelnen Bausteine in diesen Filmsystemen bestehen aus verzerrten Tetraedern, in denen ein Germaniumatom von vier Sauerstoffatomen umgeben ist. Benachbarte Tetraeder sind durch Ge-O-Ge-Bindungen miteinander verknüpft und binden im Fall der Monolagenfilme an das darunterliegende Metallsubstrat. In Bilagenfilmen hingegen gibt es keine chemischen Bindungen zum Substrat, wodurch die Filmstruktur flexibler wird. Durch Variation der Herstellungsbedingungen kann man rein kristalline, amorphe oder Phasen mittlerer Ordnung erhalten. Es ist wichtig hervorzuheben, dass der amorphe Germaniumdioxid-Bilagenfilm ein neues amorphes zweidimensionales Material darstellt. / The preparation of metal-supported ultrathin films of germanium dioxide, termed also germania, has been successfully achieved for the first time. The structure of the films is elucidated with atomic precision and chemical sensitivity using surface science techniques. The investigation is performed by analyzing STM images and is complemented by low-energy electron diffraction (LEED) patterns, a dynamical LEED study, and external support from density functional theory (DFT) calculations. In this work, we compare side-by-side atomically-resolved scanning tunneling microscopy (STM) images of ultrathin films of germania and silica. The analysis aims to investigate the impact of the metal support on the structure of oxide films. For that purpose, ultrathin germania films are grown on Ru(0001), Pt(111) and Au(111), and compared with previously reported silica ultrathin films supported on different substrates. Germania has been widely associated with silica since they are considered to be structural and chemical equivalent materials. Three main network structures have been characterized: monolayer, zigzag and bilayer films. In all systems, the building block consists of a distorted tetrahedron with a germanium atom surrounded by four oxygen atoms. Adjacent tetrahedra connect to each other through Ge-O-Ge bonds and, in the case of the monolayer films, they also bind to the metal support. Conversely, in bilayer films there are no chemical bonds to the metal substrate, thus providing more flexibility to the film structure. Through a meticulous control of the preparation conditions one can obtain a purely crystalline phase, an amorphous one, or one with intermediate order. It is important to highlight that the amorphous germania bilayer film represents a new 2-dimensional amorphous material.

Gegenstand dieser Arbeit ist die experimentelle Untersuchung der Verspannungs-Temperatur-Phasenbeziehungen in epitaktischen KxNa1-xNbO3 Dünnschichten, sowie deren Zusammenhang mit ferro- und piezoelektrischen Eigenschaften. Die präsentierten Ergebnisse ermöglichen es KxNa1-xNbO3 Dünnschichten für neuartige technologische Anwendung zu optimieren. Zunächst wird eine detaillierte strukturelle Untersuchung der ferroelektrischen Domänenstruktur in epitaktischen K0.7Na0.3NbO3 Schichten auf (110) TbScO3 vorgestellt. Eine Analyse der ferroelektrischen Domänenstruktur mittels lateral aufgelöster Piezoresponse-Kraftmikroskopie (PFM) zeigt vier Arten von Superdomänen. Durch die ergänzende Untersuchung der zweidimensionalen und dreidimensionalen Abbildung des reziproken Raumes mittels hochauflösender Röntgenbeugung (HR-XRD) wird nachgewiesen, dass dieses Domänenmuster mittels monokliner Einheitszellen in einem MC Domänenmodell beschrieben werden kann. Im Anschluss an die strukturelle Untersuchung wurden die elektromechanischen Eigenschaften der KxNa1-xNbO3 Schichten auf (110) TbScO3untersucht. Mittels Doppelstrahl-Laserinterferometrie (DBLI) wurde ein makroskopischer effektiver piezoelektrischer Koeffizient von bis zu d33,f = 23 pm/V nachgewiesen. Zudem wurden Oberflächenwellen-Experimente (SAW) durchgeführt. Diese zeigten außergewöhnlich hohe Signalstärken. Um die Temperatur der ferroelektrischen Phasenübergänge gezielt einstellen zu können, wurde der Zusammenhang zwischen epitaktischer Verspannung und der Phasenübergangstemperatur untersucht. Dazu wurden KxNa1-xNbO3 Schichten mit unterschiedlicher Verspannung gewachsen. Die Änderung der Domänenstruktur und der piezoelektrischen Eigenschaften aufgrund von Temperaturänderung wurde in-situ durch temperaturabhängige PFM, HR-XRD und DBLI Messungen untersucht. Die Untersuchung zeigte, dass die Übergangstemperatur des Übergangs von der MC- in die c-Phase mit zunehmender kompressiver Verspannung kontinuierlich um mehr als 400 °C abnahm. / The subject of this thesis is the experimental investigation of the strain-temperature-phase relations in epitaxial KxNa1-xNbO3 thin films and their connection to ferro- and piezoelectric properties. This will enable the optimization of KxNa1-xNbO3 layers for novel technological devices. First, a detailed structural investigation of the ferroelectric domain structure in epitaxial K0.7Na0.3NbO3 films on (110) TbScO3 is presented. An analysis of the ferroelectric domain structure with laterally resolved piezoresponse force microscopy (PFM) reveals four types of superdomains. By complementary two-dimensional and three-dimensional high resolution X-ray reciprocal space mapping this domain pattern is proven to be describable by an MC domain structure with monoclinic unit cells. Subsequently to the structural investigation, the electromechanical properties of KxNa1-xNbO3 layers on (110) TbScO3 were investigated. Double beam laser interferometry (DBLI) revealed a macroscopic effective piezoelectric coefficient of up to d33,f = 23 pm/V. Furthermore, surface acoustic wave (SAW) experiments were performed. They exhibited extraordinary signal intensities. In order to be able to selectively tune such phase transition temperatures, the correlation between epitaxial strain and the phase transition temperature was investigated. For this purpose, KxNa1-xNbO3 films with different compressive strain conditions were grown. The change of domain structure and piezoelectric properties upon temperature variation was investigated in-situ by temperature-dependent PFM, HR-XRD and DBLI measurements. The transition temperature between the MC- and c-phase was shown to continuously decrease by more than 400 °C with increasing compressive strain.

Die Anpassung der Bandlücke und die Herstellung mittels lösungsbasierter Prozesse charakterisieren Metallhalogenid-Perowskite. Sie sind vielversprechend für die Anwendung in optoelektronischen Bauteilen, die die Abscheidung von hochwertigen Dünnschichten erfordern. Deren Qualität hängt stark vom Kristallisationsverhalten ab, welches durch die Komposition der Lösung bestimmt ist. Ziel dieser Arbeit ist es, Korrelationen im Präkursor-Prozess-Eigenschaftsraum von Metallhalogenid-Perowskit zu bewerten und Formierungsprozesse zu rationalisieren. Phasenreinheit, Morphologie und Absorptionseigenschaften zeichnen die Qualität der Perowskit-Dünnschichten aus. Die Optimierung der Herstellung von hochwertigen Filmen über einen breiten Bandlückenbereich wird zuerst beleuchtet. Die Rationalisierung der Formierungsprozesse erweist sich als fundamental, um reproduzierbare Präparationsroutinen für hochwertige Filme zu entwickeln. Anschließend wird ein optischer in-situ Aufbau zur Rationalisierung von Formierungsprozessen vorgestellt. Abhängig vom Halogenidverhältnis in der MAPb(IxBr1-x)3-Reihe werden verschiedene Formierungswege eingeschlagen. Während sich das reine Bromid direkt und Iodid reiche Perowskite über die intermediäre Solvatphase (MA)2(DMSO)2Pb3I8 bilden, bilden sich gemischte Halogenide zwischen 0.1 ≤ x ≤ 0.6 über beide Wege. Die Formierung über konkurrierende Wege erklärt die kompositorische Heterogenität der gemischten Halogenidproben. Zuletzt werden Formierungsprozesse von Bromid-Perowskiten rationalisiert und Abhängigkeiten der Kinetik von der Lösungskonzentration zeigen sich. Niedrige Konzentrationen führen zu einer beschleunigten Kristallisation und Schichtdickenabnahme des Nassfilms. Dieser Trend wird durch geringere Kolloidwechselwirkungen und niedriger koordinierte Blei-Bromid-Komplexe in verdünnten Lösungen erklärt. Die Korrelation im Präkursor-Prozess-Eigenschaftsraum hebt die Herstellung von Perowskiten aus chemischer Sicht zu einem nicht-trivialen Prozess. / Bandgap tunability by ion substitution and the fabrication due to solution-based processes characterize metal halide perovskites. They are promising for application in various thin-film opto-electronic devices, which require the deposition of high-quality thin-films. The quality strongly depends on the crystallization behavior predetermined by the precursors in solution. This thesis aims to evaluate correlations in the vast precursor-process-property space of metal halide perovskite and rationalizes formation processes. Phase purity, morphology, and absorption properties determine the perovskite thin-film quality. The first part focuses on optimizing the perovskite fabrication to obtain high-quality films over a wide bandgap range. From high-quality films, the exciton binding energy is determined. The rationalization of formation processes proves essential to design reproducible preparation routines for high-quality films. The second part presents an optical in-situ setup to rationalize perovskite formation processes. Different formation pathways are taken, depending on the halide ratio in the MAPb(IxBr1-x)3 series. While the pure bromide forms directly and iodide-rich perovskites form via the intermediate solvate phase (MA)2(DMSO)2Pb3I8, mixed halides between 0.1 ≤ x ≤ 0.6 form via both. Such a heterogeneous formation process via two competing pathways rationalizes the compositional heterogeneity of mixed halide samples. The third part focuses on rationalizing the formation process of pure bromide perovskites and reveals a dependency of the formation kinetics on the solution concentration. Lower concentrations lead to accelerated crystallization kinetics and increase wet-film thinning. Lower colloid interaction and lower coordinated lead-bromide complexes in diluted solutions explain this trend. The strong correlation in the precursor-process-property space raises the preparation of perovskites via spin-coating to a non-trivial process from a chemical point of view.

Zweidimensionale (2D) Materialien bieten eine Vielzahl von neuartigen Eigenschaften und sind aussichtsreich Kandidaten für ein breites Spektrum an Anwendungen. Da hexagonales Bornitrid (h-BN) für eine Integration in Heterostrukturen mit anderen 2D Materialien geeignet ist, erweckte dieses in letzter Zeit großes Interesse. Insbesondere van-der-Waals-Heterostrukturen, welche h-BN und Graphen verbinden, weisen viele potenzielle Vorteile auf, verbleiben in ihrer großflächigen Herstellung von kontinuierlichen Filmen allerdings problematisch. Diese Dissertation stellt eine Untersuchung betreffend des Wachstums von h-BN und vertikalen Heterostrukturen von Graphen und h-BN auf Ni-Substraten durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) vor. Zuerst wurde das Wachstum von h-BN mittels elementarer B- und N-Quellen auf Ni als Wachstumssubstrat untersucht. Kristalline h-BN-Schichten konnten durch Raman-spektroskopie nachgewiesen werden. Wachstumsparameter für kontinuierliche und atomar dünne Schichten wurden erlangt. Das Keimbildungs- und Wachstumsverhalten so wie die strukturelle Güte von h-BN wurden mittels einer systemischen Veränderung der Wachstumstemperatur und -dauer untersucht. Die entsprechenden Beobachtungen wie der Änderungen der bevorzugten Keimbildungszentren, der Kristallgröße und der Bedeckung des h-BN wurden diskutiert. Ein Wachstum von großflächigen vertikalen h-BN/Graphen Heterostrukturen (h-BN auf Graphen) konnte mittels einem neuartigen, MBE-basierenden Verfahren demonstriert werden, welche es h-BN und Graphen jeweils erlaubt sich in der vorteilhaften Wachstumsumgebung, welche von Ni bereitgestellt wird, zu formen. In diesem Verfahren formt sich Graphen an der Schnittstelle von h-BN und Ni durch Präzipitation von zuvor in der Ni-Schicht eingebrachten C-Atomen. Schließlich konnte noch ein großflächiges Wachstum von Graphen/h-BN-Heterostrukturen (Graphen auf h-BN) durch das direkte abscheiden von C auf MBE-gewachsenen h-BN gezeigt werden. / Two-dimensional (2D) materials offer a variety of novel properties and have shown great promise to be used in a wide range of applications. Recently, hexagonal boron nitride (h-BN) has attracted significant attention due to its suitability for integration into heterostructures with other 2D materials. In particular, van der Waals heterostructures combining h-BN and graphene offer many potential advantages, but remain difficult to produce as continuous films over large areas. This thesis presents an investigation regarding the growth of h-BN and vertical heterostructures of graphene and h-BN on Ni substrates using molecular beam epitaxy (MBE). The growth of h-BN from elemental sources of B and N was investigated initially by using Ni as the growth substrate. The presence of crystalline h-BN was confirmed using Raman spectroscopy. Growth parameters resulting in continuous and atomically thin h-BN films were obtained. By systematically varying the growth temperature and time the structural quality as well as the nucleation and growth behavior of h-BN was studied. Corresponding observations such as changes in preferred nucleation site, crystallite size, and coverage of h-BN were discussed. Growth of h-BN/graphene vertical heterostructures (h-BN on graphene) over large areas was demonstrated by employing a novel MBE-based technique, which allows both h-BN and graphene to form in the favorable growth environment provided by Ni. In this technique, graphene forms at the interface of h-BN/Ni via the precipitation of C atoms previously dissolved in the thin Ni film. No evidence for the formation of BCN alloy could be found. Additionally, the suitability of ultraviolet Raman spectroscopy for characterization of h-BN/graphene heterostructures was demonstrated. Finally, growth of large-area graphene/h-BN heterostructures (graphene on h-BN) was demonstrated via the direct deposition of C on top of MBE-grown h-BN.

Methoden der optischen Spektroskopie gestatten es, über die Licht-Materie-Wechselwirkung Aussagen über verschiedene Materialsysteme zu treffen. Im Zuge dieser Arbeit wurde das Potential von stationären und transienten optischen Methoden– u.a. der Nahfeldmikroskopie– zur qualitativen und quantitativen Analyse prototypischer Materialsysteme genutzt. Die Kombination von aufeinander abgestimmten organischen und anorganischen Materialien führt auf so genannte Hybridsysteme. Die Vielzahl verschiedener Halbleiter- und Molekülsysteme lässt eine Vielzahl möglicher Hybride zu. Diarylethene (DTE) bilden eine Klasse photochromer molekularer Systeme. In der Arbeit wird der Frage nach den fundamentalen optischen Eigenschaften und dem Schaltverhalten des hier vorliegenden prototypischen DTE nachgegangen. Die zweite untersuchte Klasse von Systemen sind Hybride, welche aus dem anorganischen Halbleiter Zinkoxid (ZnO) und einer molekularen Bedeckung bestehen. Bei den Untersuchungen dieser Hybride wurde der Frage nach den optisch induzierten physikalischen Prozessen an bzw. in der Grenzschicht zwischen der molekularen Bedeckung und dem anorganischen Halbleiter nachgegangen. Im Speziellen wurde ein exzitonischer Oberflächenzustand (SX) beobachtet. Die Anwendung zeitaufgelöster Tieftemperaturnahfeldmikroskopie deckt die Transporteigenschaften der SX entlang der Oberfläche auf. Weiterhin wurden prototypische Laserdioden auf der Basis des Halbleiters Galliumnitrid (GaN) untersucht. Der Unterschied zwischen den hier untersuchten GaN-Bauelementen liegt in der Materialzusammensetzung der in die Bauelemente integrierten Wellenleiter. Eine Optimierung der Wellenleiter kann zu einer Steigerung der Effizienz der Bauelemente führen. Die Analyse der Bauelemente erfolgte mit Methoden der Nahfeldmikroskopie. Die Experimente decken Unterschiede in der Struktur der Bauelemente auf und erlauben Messungen der in den Wellenleitern geführten Lasermoden. / Methods of optical spectroscopy allow for the investigation of diverse material systems via the interaction between light and matter. Stationary and transient methods of optical spectroscopy were exploited– particularly near-field scanning optical microscopy– for qualitative and quantitative analyses of prototypical material systems. The combination of organic and inorganic materials which are adapted to each other yields a so-called hybrid system. The wide range of different semiconductor materials and molecular systems available results in a multitude of hybrid systems. Diarylethenes (DTE) form one class of photoswitchable molecular systems. This work focuses on the fundamental optical properties and the photochromic switching behavior of a prototypical DTE species. The second class of investigated prototypical sample systems consists of the inorganic semiconductor zinc oxide (ZnO) covered with molecular monolayers. The studies performed on this sample system focus on optically-induced physical processes localized at the interface between the inorganic semiconductor and the organic adlayer. In particular, a surface-excitonic state (SX) was investigated. The application of time-resolved low-temperature near-field scanning optical microscopy enables the monitoring of lateral SX transport along the organic-inorganic interface. The third prototypical sample class considered consists of two gallium nitride (GaN) diode lasers. The difference between the two investigated prototypical diode lasers is the different material composition of the waveguides integrated within the lasers. An optimization of the waveguide material composition may be used to increase the laser efficiency. Near-field scanning optical microscopy was used to analyze the two different diode lasers. The experiments show the structural differences between the distinct laser architectures and revealed the mode profiles of the waveguides within the diode lasers.

Ge-Sb-Te basierte Phasenwechselmaterialen sind vielersprechende Kandidaten für die Anwendung in optischen und elektrischen nicht-flüchtigen Speicheranwendungen. Diese Materialien können mit Hilfe von elektrischen oder optischen Pulsen reversibel zwischen der kristallinen und amorphen Struktur geschaltet werden. Diese stukturellen Phasen zeigen einen großen Unterschied in ihren elektronischen Eigenschaften, der sich in einer starken Änderung der optischen Reflektivität und des elektrischen Widerstands zeigt.Diese Studie befasst sich mit epitaktischem Wachstum und Analyse der epitaktischen Schichten. Der erste Teil der Arbiet befasst sich mir dem epitaktischen Wachstum von GeTe. Dünne GeTe Schichten wurden auf Si(111) und Si(001) Substraten mit einer Gitterfehlanpassung von 10.8% präpariert. Auf beiden Substraten bildet sich in der GeTe Schicht die [111] Oberflächenfacette parallel zur Si(001) und Si(111) Oberfläche aus. Während des inertialen Wachstums findet eine Phasentransformation von amorph zu kristallin statt. Diese Phasentransformation wurde mittels azimuthaler in-situ Beugung hochenergetischer Elektronen sowie in-situ Röntgenbeugung unter streifendem Einfall untersucht. Der zweite Teil der Arbeit wird die Epitaxie sowie die strukturelle Charakterisierung dünner Sb2Te3 Schichten dargestellt. Der dritte Teil umfasst die Epitaxie terniärer Ge-Sb-Te Schichten . Zum Wachstum wurden sowohl die Substrattemperatur als auch die Ge, Sb und Te Flüsse variiert. Es wird gezeigt, dass die Komposition der Schicht stark von der Wachtumstemperatur abhängt und nur entlang der pseudibinären Verbindungslinie von GeTe-Sb2Te3 variiert. Zur Kontrolle des Wachstums wurde dabei die in-situ Quadrupol Massenspektroskopie verwendet. Es zeigen sich diverse inkommensurate Beugungsmaxima entlang der [111] Oberflächennormalen der Schichten, anhand derer die Ausbildung einer Lehrstellen Ordnung in Form einer Überstruktur diskutiert wird. / Ge-Sb-Te based phase change materials are considered as a prime candidate for optical and electrical data storage applications. With the application of an optical or electrical pulse, they can be reversibly switched between amorphous and crystalline state, thereby exhibiting large optical and electrical contrast between the two phases, which are then stored as information in the form of binary digits. Single crystalline growth is interesting from both the academic and industrial perspective, as ordered Ge-Sb-Te based metamaterials are known to exhibit switching at reduced energies. The present study deals with the epitaxial growth and analysis of Ge-Sb-Te based thin films. The first part of the thesis deals with the epitaxial growth of GeTe. Thin films of GeTe were grown on highly mismatched Si(111) and (001) substrates. On both the substrate orientations the film grows along [111] direction with an amorphous-to-crystalline transition observed during the initial stages of growth. The amorphous-to-crystalline transition was studied in-vivo using azimuthal reflection high-energy electron diffraction scans and grazing incidence x-ray diffraction. In the second part of the thesis epitaxy and characterization of Sb2Te3 thin films are presented. The third part of the thesis deals with the epitaxy of ternary Ge-Sb-Te alloys. The composition of the films are shown to be highly dependent on growth temperatures and vary along the pseudobinary line from Sb2Te3 to GeTe with increase in growth temperatures. A line-of-sight quadrupole mass spectrometer was used to reliably control the GeSbTe growth temperature. Growth was performed at different Ge, Sb, Te fluxes to study the compositional variation of the films. Incommensurate peaks are observed along the [111] direction by x-ray diffraction. The possibility of superstructural vacancy ordering along the [111] direction is discussed.

Die vorliegende Arbeit präsentiert eine erste umfassende Wachstumsstudie, und erste quantitative Wachstumsmodelle, von Gruppe-III und IV Oxiden synthetisiert mit sauerstoffplasmaunterstützter Molekularstrahlepitaxie (MBE). Diese entwickelten Modelle beinhalten kinetische und thermodynamische Effekte. Die erworbenen Erkenntnisse sind auf fundamentale Wachstumsprozesse in anderen Syntheseverfahren übertragbar, wie zum Beispiel der Laserdeposition oder metallorganische Gasphasenepitaxie. Die Wachstumsraten und Desorptionsraten werden in-situ mit Laser-Reflektometrie bzw. Quadrupol-Massenspektrometrie (QMS) bestimmt. Es werden die transparenten halbleitenden Oxide Ga2O3, In2O3 und SnO2 untersucht. Es ist bekannt, dass sich das Wachstum von Gruppe-III und IV Oxiden, aufgrund der Existenz von Suboxiden, fundamental von anderen halbleitenden Materialien unterscheidet. Es stellt sich heraus, dass die Wachstumsrate der untersuchten binären Oxide durch die Formierung und Desorption von Suboxiden flussstöchiometrisch und thermisch limitiert ist. Es werden die Suboxide Ga2O für Ga2O3, In2O für In2O3 und SnO für SnO2 identifiziert. Ein Suboxid ist ein untergeordneter Oxidationszustand, und es wird gezeigt, dass die untersuchten Oxide über einen Zwei-Stufen-Prozess gebildet werden: vom Metall zum Suboxid, und weiterer Oxidation vom Suboxid zum thermodynamisch stabilen festen Metalloxid. Dieser Zwei-Stufen-Prozess ist die Basis für die Entwicklung eines ersten quantitativen, semiempirschen MBE-Wachstumsmodells für binare Oxide die Suboxide besitzen. Dieses Model beschreibt und erklärt die gemessenen Wachstumsraten und Desorptionsraten. Es wird die Kinetik und Thermodynamik des ternären Oxidsystems (InxGa1−x)2O3 untersucht. Die gemittelten Einbauraten von In und Ga in ein makroskopisches Volumen von (InxGa1−x)2O3 Dünnschichten werden ex-situ mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie gemessen. Diese Einbauraten werden systematisch analysiert und im Rahmen kinetischer und thermodynamischer Grenzen beschrieben. Es wird gezeigt, dass Ga den In-Einbau in (InxGa1−x)2O3 aufgrund seiner stabileren Ga–O Bindungen thermodynamisch verhindert. In diesen Zusammenhang wird ein neuer katalytisch-tensidischer Effekt des In auf den Einbau von Ga gefunden. Eine Folge dieses katalytisch-tensidischen Effektes ist die Formierung der thermodynamisch, metastabilen hexagonalen Ga2O3 phase mit sehr hoher Kristallqualität. Ein thermodynamisch induziertes, kinetisches Wachstumsmodel für (InxGa1−x)2O3 wird entwickelt, mit dem sich alle makroskopischen Metall-Einbauraten und Desorptionsraten vorhersagen lassen. Mögliche (InxGa1−x)2O3 Strukturen gewachsen mit MBE werden mittels Röntgenkristallographie bestimmt. Mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse wird ein erster makroskopischer Ansatz zur Bestimmung der mikroskopischen In Konzentration X in möglichen (InXGa1−X)2O3 Phasen hergeleitet. Es werden Löslichkeitsgrenzen von In bzw. Ga in monoklinem und kubischem (InXGa1−X)2O3 bestimmt. / The present thesis presents a first comprehensive growth investigation and first quantitative growth models of group-III and IV oxides synthesized by oxygen plasma-assisted molecular beam epitaxy (MBE). The developed models include kinetic and thermodynamic effects. The obtained findings are generally valid for fundamental growth processes in other growth techniques, such as pulsed laser deposition and metal-organic vapor phase-epitaxy. The growth rates and desorption rates are measured in-situ by laser reflectometry and quadrupole mass spectrometry (QMS), respectively. The binary transparent semiconducting oxides Ga2O3, In2O3, and SnO2 are investigated. It is known that the growth of group-III and IV oxides is fundamentally different as compared to other semiconductor compounds and due to the existence of suboxides. It is found that the growth rate of the binary oxides investigated is flux-stoichiometrically and thermally limited by the formation and desorption of their respective suboxide. These suboxides are identified as Ga2O for Ga2O3, In2O for In2O3, and SnO for SnO2. A suboxide is a lower oxidation state, and it is shown, that the investigated oxides grow via a two-step oxidation process. That means, all metal oxidizes to the suboxide, and the suboxide can be further oxidized to the thermodynamic stable solid metal-oxide. This two-step oxidation process is the basis for the development of a first quantitative semi-empirical MBE growth model which predicts and explains the measured growth rates and desorption rates, for binary oxides possessing suboxides. The kinetics and thermodynamics of the ternary oxide system (InxGa1−x)2O3, grown by MBE, is investigated. The average In and Ga incorporation rates into a macroscopic volume of (InxGa1−x)2O3 are measured ex-situ by energy dispersive X-ray spectroscopy. These incorporation rates are systematically analyzed and explained in the framework of kinetic and thermodynamic limitations. It is shown that Ga thermodynamically inhibits the incorporation of In into (InxGa1−x)2O3 due to its stronger Ga–O bonds. In this context, a new catalytic-surfactant effect of In on the formation of Ga2O3 is found. As a consequence of this catalytic-surfactant effect the metastable hexagonal Ga2O3 with very high crystal quality is formed. A thermodynamically induced kinetic growth model for (InxGa1−x)2O3 MBE is developed. It predicts all macroscopic metal incorporation rates and desorption rates. Possible (InxGa1−x)2O3 phases grown by MBE are investigated by X-ray crystallography. By means of X-ray diffraction analysis, a first macroscopic approach to determine the microscopic In concentration X in possible (InXGa1−X)2O3 phases is derived. The solubility limits of In and Ga in monoclinic and cubic (InXGa1−X)2O3 phases, respectively, are identified.

Das Thema dieser Arbeit ist die Synthese von Ferromagnet-Halbleiter-Nanodraht-Strukturen in einer Kern-Hülle-Geometrie. Diese wird mittels Molekularstrahlepitaxie unter der Verwendung von GaAs und Fe3Si ausgeführt. Im Zentrum der Arbeit steht die Frage, ob sich mit derartigen Strukturen Magnetisierungen senkrecht zum Substrat realisieren lassen. Eine solche Konfiguration der Magnetisierung innerhalb bestimmter Strukturen ist wünschenswert, denn sie bildet die Grundlage einiger zukunftsweisender spintronischer Bauteilkonzepte. Aufgrund der Formanisotropie dünner Schichten ist diese Konfiguration der Magnetisierung in planaren Strukturen nur mit erheblichem Aufwand zu bewerkstelligen. Bildet sich hingegen in den Nanodraht-Hüllen eine Stabmagnetisierung aus, so führt dies direkt zur gewünschten senkrechten Magnetisierung. Im ersten Teil dieser Arbeit wird der Epitaxie-Prozess vorgestellt. Abhängig von den Wachstumsparametern können Hüllen mit glatten Seitenflachen, einer hohen Kristallordnung, ebenen Grenzflachen zum GaAs-Kern und epitaktischer Ausrichtung realisiert werden. Der zweite Teil behandelt die magnetischen Eigenschaften der Nanodrahte. Ensemble-Charakterisierungen sind hierbei in diesem Fall nicht geeignet. Einzeldraht-Messungen hingegen zeigen, dass sich in den Nanodraht-Hüllen wie erhofft eine Stabmagnetisierung ausbildet. Der dritte und letzte Teil dieser Dissertation umfasst die Einführung mehrerer zukunftsweisender Bauteilkonzepte, basierend auf den speziellen magnetischen Eigenschaften der hier vorgestellten Nanodrahte. Dazu gehören dreidimensionale Speicherarchitekturen mit bislang unerreichten Speicherkapazitäten und zirkular polarisiertes Licht emittierende Leuchtdioden für einen enorm schnellen Spininformations-Transfer zur Intrachip-Kommunikation. / The subject of the present work is the synthesis of ferromagnet-semiconductor coreshell nanowires. To realize such structures molecular beam epitaxy has been employed. For the investigation the well-suited materials systems GaAs and Fe3Si are used. Within the framework of this thesis the open question whether a magnetization in the nanowires that is perpendicular to the nanowire’s substrate can be realized is of special interest. Such a configuration of the magnetization is desirable, because some spintronic device concepts rely on magnetizations perpendicular to the substrate. In general, with the exception of very limited and highly specific materials, the shape anisotropy of thin magnetic layers causes the magnetic moments to orient along an in-plane direction and therefore, perpendicular configurations of the magnetization do not occur at equilibrium conditions. In contrast, magnetic nanowires with moments pointing along the wire axis directly provide the desired out-of plane magnetization. In the first part, the epitaxial procedure to realize the core-shell nanowires is described. Nanowires with smooth side walls, smooth interface to the GaAs core, a fairly high structural ordering and an epitaxial orientation relationship are produced. In the second part, the magnetic properties of the core-shell nanowires are analyzed. It is shown that characterizations of an ensemble of wires cannot resolve magnetic properties of the shells. Investigations on single nanowires however revealed that the magnetization in the shells is indeed as desired oriented along the wires. Several innovative device concepts based on the specific magnetic properties of these core-shell nanowires are finally introduced in the third part of this work. Within these concepts three-dimensional magnetic recording devices with unsurpassed data storage capacities and circular polarized light emitting diodes for tremendously fast spin information transfer for intrachip communication can be realized.

In dieser Arbeit werden neue Strategien zur Wachstumskontrolle funktionaler organischer Dünnschichtmaterialien aufgezeigt, mit denen sich die Eigenschaften molekularer Schichtsysteme gezielt beeinflussen lassen. Ein Fokus liegt dabei auf der Untersuchung des Einflusses von optischen Feldern auf das Wachstumsverhalten. Ein weiterer Schwerpunkt wird auf das Grundlagenverständnis von thermisch aktivierten, kinetischen Prozessen, die die Morphologie während und nach dem Schichtwachstum beeinflussen, gelegt. Zuerst wird am Beispiel des molekularen Halbleiters Sexithiophen (6T) gezeigt, wie sich Kontrolle über das Kristallphasengleichgewicht während des Wachstums auf Kaliumchlorid (KCl) erzielen lässt. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine neue Herangehensweise zur direkten Ausrichtung von Molekülkristallen im optischen Feld während ihrer Entstehung studiert. Am Beispiel von Tetracene wird gezeigt wie sich so optische anisotrope Absorptionseigenschaften von Molekülen dazu nutzen lassen den Brechungsindex eines polykristallinen Films lokal durch ein photolitographisches Verfahren zu beeinflussen. Im dritten Teil wird der Einfluss von dynamisch variierenden Wachstumsbedingungen während des Schichtwachstums von PTCDI-C8 studiert. Es wird gezeigt, dass sich die Oberflächenrauigkeit stark reduzieren lässt, indem zu Beginn des Wachstums jeder individuellen molekularen Monolage die Nukleationsdichte stark erhöht und in den darauf folgenden Wachstumsphasen die Diffusivität gezielt gesteigert wird. Im vierten Teil wird das Diffusionsverhalten von n-Alkan Schichten unter thermischen Einflüssen betrachtet. Es wird gezeigt, dass die inhärente molekulare Anisotropie von C44H90 Molekülen (TTC) sowie die sehr geringe, stark anisotrope, Oberflächenenergie dieses Materials ein ungewöhnliches Diffusionsverhalten auslöst. / The research performed in the framework of this thesis focuses on new strategies to effectively control the growth of crystalline thin films of functional organic molecules and attributes the quest for additional growth control parameters in organic molecular beam deposition (OMBD). First the influence of light on the growth process of the sexithiophene (6T) is studied. We find that 6T thin films deposited as conventional in dark environments on KCl exhibit a bimodal growth with phase coexistence of two crystal polymorphs. In contrast, films grown under illumination with 532 nm light show increased phase purity. Further, we establish light-directed molecular self-assembly (LDSA) to generate permanently aligned thin films of tetracene (C18H12) and demonstrate direct patterning with light. Polarized light illumination leads to azimuthally photoaligned films on isotropic, amorphous substrates. Thus, LDSA can be regarded as a new degree of freedom in the quest for control-parameters in organic thin film growth. Next the impact of dynamic temperature oscillations on the time scales of molecular monolayer growth during organic molecular beam deposition is discussed. We strongly increase the island density during nucleation and selectively increase interlayer diffusion at later stages of monolayer growth. We analyse the interplay between molecular interlayer transport and island sizes to understand kinetic processes during growth. In a fourth experiment we show how thermal annealing can be used to improve smoothness and to increase the lateral size of crystalline islands of n-alkane (TTC, C44H90) films. We employ real-time optical phase contrast microscopy to track the diffusion across monomolecular step edges which causes the unusual smoothing during annealing. We rationalise the smoothing behaviour with the highly anisotropic attachment energies and low surface energies of TTC.

Dünne Silizium- und Germaniumdioxidfilme auf Ru(0001)-Kristallen werden hinsichtlich dynamischer Prozesse untersucht. Zwischen Oxidfilm und Substrat befinden sich Sauerstoffatome, die eine ent-scheidende Rolle in diesen Systemen spielen. Zunächst werden diese Sauerstofflagen auf Ru(0001) mittels Hochgeschwindigkeits-Rastertunnelmikroskopie (STM) analysiert. Daraufhin wird die GeO2-Monolage auf Ru(0001) bei hohen Bildraten mit einer selbstentwickelten halbautomatischen Netz-werkdetektion untersucht. Schließlich wird die SiO2-Bilage auf Ru(0001) mit konventionellen sowie mit schnellen STM-Messungen bei Raumtemperatur und bei 600 K abgebildet. Um schnelle Messungen bei hohen Temperaturen zu realisieren, wird ein Hochgeschwindigkeits-STM konstruiert, welches bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden kann. Unkon-ventionelle Spiralgeometrien ermöglichen verzerrungsfreie Bilder in weniger als 10 ms aufzunehmen. Die adsorbierten Sauerstofflagen werden erstmals bei hohen Bildraten untersucht. Die experimen-tellen Ergebnisse werden durch extern durchgeführte Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen ergänzt. In den auf Ru(0001) bei Raumtemperatur stabilen Sauerstofflagen O(2×2), O(2×1) und 3O(2×2) werden dynamische Prozesse beobachtet. Die Besetzung des Zwischenzustandes entlang des Diffusionspfades und schnelle "Umklapp"-Prozesse eindimensionaler Linien werden auf atomarer Ebene aufgelöst. Komplexe Domänengrenzen in der GeO2-Monolage auf Ru(0001) werden mit Hochgeschwindigkeits-STM abgebildet. Die Messungen an der SiO2-Bilage auf Ru(0001) zeigen dynamische Änderungen des Abbildungskontrasts, die mit den mobilen Sauertsoffatomen an der Grenzfläche zusammenhängen können. Messungen bei hohen Temperaturen zeigen dynamische Kontraständerungen von mesoskopischen Strukturen. Diese Messungen stellen die ersten schnellen Hochtemperatur-STM-Aufnahmen des Siliziumdioxidfilms dar und bilden die Grundlage für künftige Studien zu dynamischen Veränderungen in dünnen Oxidschichtsystemen. / Dynamics related to thin silicon- and germanium dioxide films that are grown on Ru(0001) crystals are investigated. Between the film and the metal support oxygen species are present that play a crucial role for these film systems. First, these oxygen adlayers on Ru(0001) are analyzed by high-speed scan-ning tunneling microscopy (STM) with the focus on dynamic processes. In a next step, the monolayer of germanium dioxide (germania) supported on Ru(0001) is studied at elevated frame rates and with a self-designed semi-automated network detection. Finally, the bilayer of silicon dioxide (silica) on Ru(0001) is studied by conventional and by high-speed STM both at room temperature and at 600 K. To realize fast STM measurements at elevated temperatures, a high-speed STM is designed that can operate at variable temperatures. Images are acquired in less than 10 ms with unconventional spiral scan patterns. The dynamics in oxygen adlayers are investigated for the first time at elevated frame rates. Experimental results are supported by density functional theory (DFT) calculations performed externally. Dynamic events are observed in the oxygen adlayers that are stable on Ru(0001) at room temperature, namely O(2×2), O(2×1), and 3O(2×2). The occupation of an intermediate state along the oxygen diffusion pathway and fast "flipping" events of atomic one-dimensional stripe patterns are observed. On the germania monolayer on Ru(0001), complex domain boundary structures are resolved with high-speed STM. In high-speed scans on the silica bilayer on Ru(0001), dynamic changes of the imaging contrast are observed that may relate to the mobile species in the oxygen interfacial layer. Measurements at elevated temperature reveal dynamic contrast changes of mesoscopic features. These measurements constitute the first high-speed STM scans on the silica film at elevated temperatures and form the basis for future studies with the focus on dynamic processes in thin oxide film systems.