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.

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.

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.

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.

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.

Während über hexagonales (alpha) GaN zum ersten Mal 1932 berichtet wurde, gelang erst 1989 die Synthese einer mit Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf 3C-SiC epitaktisch gewachsenen, metastabilen kubischen (eta) GaN Schicht. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Herstellung der Verbindungen eta-(In,Ga,Al)N mittels RF-Plasma unterstützter MBE auf GaAs(001) und den mikrostrukturellen sowie optischen Eigenschaften dieses neuartigen Materialsystems. Im Vergleich zur hexagonalen bietet die kubische Kristallstruktur auf Grund ihrer höheren Symmetrie potentielle Vorteile für die Anwendung in optischen und elektronischen Bauelementen. Viele wichtige Materialgrößen der kubischen Nitride sind jedoch noch gänzlich unbekannt, da sich die Synthese einkristalliner Schichten als sehr schwierig erweist. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher erstens, die technologischen Grenzen der Herstellung von bauelementrelevanten kubischen (In,Ga,Al)N Heterostrukturen auszuweiten und zweitens, einen Beitrag zur Aufklärung der bis dato wenig bekannten optischen und elektronischen Eigenschaften des GaN und der Mischkristalle In GaN zu leisten. Zunächst wird ein optimierter MBE Prozess unter Einsatz einer Plasmaquelle hohen Stickstofflusses vorgestellt, welcher nicht nur die reproduzierbare Epitaxie glatter, einphasiger GaN Nukleationsschichten auf GaAs ermöglicht. Vielmehr können damit auch dicke GaN. Schichten mit glatter Oberflächenmorphologie hergestellt werden, welche die Grundlage komplizierterer eta-(In,Ga,Al)N Strukturen bilden. An einer solchen GaN Schicht mit einer mittleren Rauhigkeit von nur 1.5 nm werden dann temperaturabhängige Reflexions- und Transmissionsmessungen durchgeführt. Zur Auswertung der Daten wird ein numerisches Verfahren entwickelt, welches die Berechnung des kompletten Satzes von optischen Konstanten im Spektralgebiet 2.0 = 0.4 wären grün-gelbe Laserdioden. Zusammenfassung in PostScript / While the earliest report on wurtzite (alpha) GaN dates back to 1932, it was not until 1989 that the first epitaxial layer of metastable zincblende (eta) GaN has been synthesized by molecular beam epitaxy (MBE) on a 3C-SiC substrate. The present work focuses on radio frequency (RF) plasma-assisted MBE growth, microstructure, and optical properties of the eta-(In,Ga,Al)N material system on GaAs(001). Due to their higher crystal symmetry, these cubic nitrides are expected to be intrinsically superior for (opto-) electronic applications than the widely employed wurtzite counterparts. Owing to the difficulties of obtaining single-phase crystals, many important material constants are essentially unknown for the cubic nitrides. The aim of this work is therefore, first, to push the technological limits of synthesizing device-relevant zincblende (In,Ga,Al)N heterostructures and, second, to determine the basic optical and electronic properties of GaN as well as to investigate the hardly explored alloy InGaN. An optimized MBE growth process is presented which allows not only the reproducible nucleation of smooth, monocrystalline GaN layers on GaAs using a high-nitrogen-flow RF plasma source. In particular, thick single-phase GaN layers with smooth surface morphology are obtained being a prerequisite for the synthesis of ternary eta-(Ga,In,Al)N structures. Temperature dependent reflectance and transmittance measurements are carried out on such a GaN film having a RMS surface roughness as little as 1.5 nm. A numerical method is developed which allows to extract from these data the complete set of optical constants for photon energies covering the transparent as well as the strongly absorbing spectral range (2.0 -- 3.8 eV). Inhomogeneities in the refractive index leading to finite coherence effects are quantitatively analyzed by means of Monte Carlo simulations. The fundamental band gap EG(T) of GaN is determined for 5 < T < 300 K and the room temperature density of states is investigated. Systematic studies of the band edge photoluminescence (PL) in terms of transition energies, lineshapes, linewidths, and intensities are carried out for both alpha- and GaN as a function of temperature. Average phonon energies and coupling constants, activation energies for thermal broadening and quenching are determined. Excitation density dependent PL measurements are carried out for both phases in order to study the impact of nonradiative recombination processes at 300 K. A recombination model is applied to estimate the internal quantum efficiency, the (non)radiative lifetimes, as well as the ratio of the electron to hole capture coefficients for both polytypes. It is seen that the dominant nonradiative centers in the n-type material investigated act as hole traps which, however, can be saturated at already modest carrier injection rates. In summary, despite large defect densities in GaN due to highly mismatched heteroepitaxy on GaAs, band edge luminescence is observed up to 500 K with intensities comparable to those of state-of-the-art alpha-GaN. For the first time, thick InGaN films are fabricated on which blue and green luminescence can be observed up to 400 K for x=0.17 and x=0.4, respectively. Apart from bulk-like InGaN films, the first coherently strained InGaN/GaN (multi) quantum wells with In contents as high as 50 % and abrupt interfaces are grown. This achievement shows that a ternary alloy can be synthesized in a metastable crystal structure far beyond the miscibility limit of its binary constituents despite the handicap of highly lattice mismatched heteroepitaxy. The well widths of these structures range between 4 and 7 nm and are thus beyond the theoretically expected critical thickness for the strain values observed. It is to be expected that even higher In contents can be reached for film thicknesses below 5 nm. The potential application of such InGaN/GaN multi quantum wells with x >= 0.4 would thus be diode lasers operating in the green-yellow range. abstract in PostScript

Dichte Ensembles aus GaN-Nanodrähten können in der Molekularstrahlepitaxie mithilfe eines selbstinduzierten Prozesses sowohl auf kristallinen als auch amorphen Substraten gezüchtet werden. Aufgrund der Natur selbstgesteuerter Prozesse ist dabei die Kontrolle über viele wichtige Ensembleparameter jedoch eingeschränkt. Die Arbeit adressiert genau diese Einschränkungen bei der Kristallzucht selbstinduzierter GaN-Nanodrähte. Konkret sind das Limitierungen bezüglich der Nanodraht-Durchmesser, die Nanodraht-Anzahl-/Flächendichte, der Koaleszenzgrad sowie die maximal realisierbare Wachstumstemperatur. Für jede dieser Einschränkungen werden Lösungen präsentiert, um die jeweilige Limitierung zu umgehen oder zu verschieben. Als Resultat wurde eine neue Klasse von GaN Nanodrähten mit bisher unerreichten strukturellen und optischen Eigenschaften geschaffen. Mithilfe eines Zwei-Schritt-Ansatzes, bei dem die Wachstumstemperatur während der Nukleationsphase erhöht wurde, konnte eine verbesserte Kontrolle über die Flächendichte, den Durchmesser und den Koaleszenzgrad der GaN-Nanodraht-Ensembles erreicht werden. Darüber hinaus werden Ansätze präsentiert, um die außerordentlich lange Inkubationszeit bei hohen Wachstumstemperaturen zu minimieren und damit wesentlich höhere Wachstumstemperaturen zu ermöglichen (bis zu 905°C). Die resulierenden GaN-Nanodraht-Ensembles weisen schmale exzitonische Übergänge mit sub-meV Linienbreiten auf, vergleichbar zu denen freistehender GaN-Schichten. Abschließend wurden Nanodrähte mit Durchmessern deutlich unterhalb von 10 nm fabriziert. Mithilfe eines Zersetzungsschrittes im Ultrahochvakuum direkt im Anschluss an die Wachstumsphase wurden reguläre Nanodraht-Ensembles verdünnt. Die resultierenden ultradünnen Nanodrähte weisen dielektrisches Confinement auf. Wir zeigen eine ausgeprägte exzitonische Emission von puren GaN-Nanodrähten mit Durchmessern bis hinab zu 6 nm. / In molecular beam epitaxy, dense arrays of GaN nanowires form spontaneously on crystalline as well as amorphous substrates. Due to the nature of spontaneous formation, the control over important parameters is limited. This thesis addresses the major limitations of spontaneous nanowire formation, namely the nanowire diameter, number density, and coalescence degree but also the maximum achievable growth temperature, and presents approaches to overcome the same. Thereby, we have fabricated a new class of nanowires with unprecedented structural and optical properties. We find that a two-step growth approach, where the substrate temperature is increased during the nucleation stage, is an efficient method to gain control over the area coverage, average diameter, and coalescence degree of GaN nanowire ensembles. Furthermore, we present growth approaches to minimize the long incubation time that precedes nanowire nucleation at elevated temperatures and to thus facilitate significantly higher growth temperatures (up to 905°C). The GaN nanowire ensembles grown at so far unexplored substrate temperatures exhibit excitonic transitions with sub-meV linewidths comparable to those of state-of-the-art free-standing GaN layers grown by hydride vapor phase epitaxy. Finally, we fabricate nanowires with diameters well below 10 nm, the lower boundary given by the nucleation mechanism of spontaneously formed nanowires. Here, regular nanowire arrays are thinned in a post-growth decomposition step in ultra-high vacuum. In situ monitoring the progress of decomposition using quadrupole mass spectrometry enables a precise control over the diameter of the thinned nanowires. These ultrathin nanowires show dielectric confinement, which is potentially much stronger than quantum confinement. We demonstrate intense excitonic emission from bare GaN nanowires with diameters down to 6 nm.

Die besonderen Eigenschaften von Graphen ermöglichen das Design von elektronischen Bauteilen im Nanometerbereich. Graphen kann auf der Oberfläche von Siliziumkarbonat (SiC) durch das Ausdampfen von Si epitaktisch gewachsen werden. Ein detailliertes Verständnis der atomaren und elektronischen Struktur der Grenzschicht zwischen Graphen und SiC ist ein wichtiger Schritt um die Wachstumsqualität zu verbessern. Wir nutzen Dichtefunktionaltheorie um das Hybridsystem Graphen-SiC auf atomarer Ebene zu beschreiben. Experimentelle Arbeiten auf der Si Seite von SiC haben gezeigt, dass die Grenzschicht (ZLG) durch eine teilweise kovalent gebundene Kohlenstofflage wächst; darüber bildet sich die erste Graphenlage (MLG). Durch das Konstruieren eines ab initio Oberflächenphasendiagrams zeigen wir, dass sowohl ZLG als auch MLG Gleichgewichtsphasen sind. Unsere Ergebnisse implizieren, dass Temperatur- und Druckbedingungen für den selbstbegrenzenden Graphenwachstum existieren. Wir zeigen, dass sich das Doping und die Riffellung von epitaktischem Graphene durch H-Interkalation reduzieren. Im Experiment unterscheidet sich das Graphenwachstum auf der C Seite qualitativ von der Si Seite. Zu Beginn des Graphenwachstums wird eine Mischung verschiedener Oberflächenphasen beobachtet. Wir diskutieren die Stabilität dieser konkurierenden Phasen. Die atomaren Strukturen von einigen dieser Phasen, inklusive der Graphen-SiC Grenzschicht, sind nicht bekannt wodurch die theoretische Beschreibung erschwert wird. Wir präsentieren ein neues Model für die bisher unbekannte (3x3) Rekonstruktion, das Si Twist Model. Die Oberflächenenergie vom Si Twist Model und von der bekannten (2x2)c Phase schneiden sich direkt an der Grenze zur Graphitbildung. Dies erklärt die experimentell beobachtete Phasenkoexistenz zu Beginn des Graphenwachstums. Wir schlussfolgern, dass auf der C Seite der kontrollierte Graphenewachstum durch Si-reiche Oberflächenphasen blockiert wird. / Graphene with its unique properties spurred the design of nanoscale electronic devices. Graphene films grown by Si sublimation on SiC surfaces are promising material combinations for graphene applications. Understanding the atomic and electronic structure of the SiC-graphene interface, is an important step to refine the growth quality. In this work, density-functional theory is used to simulate the SiC-graphene interface on an atomistic level without empirical parameters. Experimental work has shown that on the Si face of SiC, a partially covalently bonded carbon layer, the zero-layer graphene (ZLG), grows. On top of the ZLG layer forms mono-layer graphene (MLG) as large ordered areas and then few-layer graphene. By constructing an ab initio surface phase diagram, we show that ZLG and MLG are at least near equilibrium phases. Our results imply the existence of temperature and pressure conditions for self-limiting growth of MLG key to the large-scale graphene production. H intercalation significantly reduces both the corrugation and the graphene doping. Our calculations demonstrate that unsaturated Si atoms in the ZLG influence the electronic structure of graphene. The situation on the C face of SiC is very different. The experimental growth of large areas of graphene with well defined layer thickness is difficult. At the onset of graphene formation a phase mixture of different surface phases is observed. We will address the stability of the different occuring surface phases. However, the atomic structure of some of the competing surface phases, as well as of the SiC-graphene interface, is unknown. We present a new model for the (3x3) reconstruction, the Si twist model. The surface energies of this Si twist model, the known (2x2)c adatom phase, and a graphene covered (2x2)c phase cross at the chemical potential limit of graphite, which explains the observed phase mixture. We argue that well-controlled graphene formation is hindered by Si-rich surface phases.