Block copolymer/inorganic nanoparticle hybrids draw great attention of scientists from various areas for their potential applications in diverse fields such as microelectronics, sensors, and solar cells. Inorganic nanoparticles (NPs) can be expected to be incorporated into block copolymers with order and selectivity by self-assembly of NPs and/or by synergistic self-assembly between NPs and block copolymers. The morphology and nanostructure order of block copolymers can be also adjusted and directed by incorporation of NPs. In this study, the effect of the size and modification of AuNPs on the morphology and nanostructure orientation of block copolymer PPMA-b-PMMA thin films were systematically investigated. The lateral BCP structure in thin films was improved by adding AuNPs. The controlled location of AuNPs in the BCP thin films depended on the particle size and stabilizing species. The re-orientation of cylindrical domains depended on the modification of AuNPs. PPMA-coated AuNPs, corresponding to the lower surface energy component of BCP, were powerful in directing the cylinders from parallel to perpendicular to the substrate. These results provide a general guide for other BCP/inorganic NP hybrid systems for desired morphology and nanostructure orientation.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einer Klasse von Variationsproblemen, die im Kontext des Ferromagnetismus entstehen. Es soll hierbei ein numerischer und analytischer Hintergrund zur Behandlung von harten magnetischen dünnen Filmen mit senkrechter Anisotropie gegeben werden. Bei magnetischen dünnen Filmen handelt es sich um Schichten von magnetischen Materialien mit Dicken von wenigen Mikrometern bis hin zu einigen Nanometern. Ausgangspunkt der Betrachtungen ist ein Modell von Landau und Lifshitz, das die Grundzustände der Magnetisierung in einem dreidimensionalen Körpers mit den Minimierer eines nichtkonvexen und nichtlokalen Energiefunktionals, der sogenannten mikromagnetischen Energie, verbindet. Unter der Annahme sehr kleiner Filmdicken wird aus dem betrachteten Modell ein zwei-dimensionales Modell hergeleitet. Anschließend wird mit Hilfe der Gamma-Konvergenz die Konvergenz zu einem Sharp-Interface-Modell gezeigt. Das resultierende Energiefunktional besteht aus konkurrierenden Interface- und Dipolenergieanteilen. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse einer numerischen Methode, die die Lösungen des vorher hergeleiteten Modells approximiert. Hierbei stützen sich die Betrachtungen auf ein relaxiertes Modell, in dem der Interfaceenergiebeitrag durch seine Modica-Mortola Approximation ersetzt und dann der entsprechende L^2 Gradientenfluß betrachtet wird. Die daraus resultierende nichtlineare und nichtlokale parabolische Gleichung wird anschließend durch ein Crank-Nicolson-Verfahren in der Zeitvariablen und einem Fourieransatz für die Raumvariablen diskretisiert. Wir beweisen die Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen des numerischen Verfahrens, sowie deren Konvergenz zu Lösungen des anfänglich betrachteten stetigen Modells. Ferner werden auch a priori Fehlerabschätzungen für die numerische Methode hergeleitet. Abschließend werden die analytischen Resultate anhand numerischer Experimente illustriert. / This thesis is concerned with the study of a class of variational problems arising in the context of ferromagnetism. More precisely, it aims at providing a numerical and analytical background to the study of hard magnetic thin films with perpendicular anisotropy. Magnetic thin films are sheets of magnetic materials with thicknesses of a few micrometers down to a few nanometers used mainly in electronic industry, for example as magnetic data storage media for computers. Our initial considerations are based on a model of Landau and Lifshitz that associates the ground states of the magnetization within a three-dimensional body to the minimizers of a nonconvex and nonlocal energy functional, the so-called micromagnetic energy. Under film thickness considerations (thin film regime), we first reduce the aforementioned model to two dimensions and then carry out a Gamma-limit for a sharp-interface model. The resulting energy functional features a competition between an interfacial and a dipolar energy contribution. The second part of the thesis is concerned with the analysis of a numerical method to approximate solutions of the previously derived sharp-interface model. We base our considerations on a relaxed model in which we replace the interfacial energy contribution by its Modica-Mortola approximation, and then study the associated L^2 gradient flow. The resulting evolution equation, a nonlinear and nonlocal parabolic equation, is discretized by a Crank-Nicolson approximation for the time variable and a Fourier collocation method for the space variable. We prove the existence and uniqueness of the solutions of the numerical scheme, the convergence of these solutions towards solutions of the initial continuous model and also derive a-priori error estimates for the numerical method. Finally, we illustrate the analytical results by a series of numerical experiments.

Block copolymer/inorganic nanoparticle hybrids draw great attention of scientists from various areas for their potential applications in diverse fields such as microelectronics, sensors, and solar cells. Inorganic nanoparticles (NPs) can be expected to be incorporated into block copolymers with order and selectivity by self-assembly of NPs and/or by synergistic self-assembly between NPs and block copolymers. The morphology and nanostructure order of block copolymers can be also adjusted and directed by incorporation of NPs. In this study, the effect of the size and modification of AuNPs on the morphology and nanostructure orientation of block copolymer PPMA-b-PMMA thin films were systematically investigated. The lateral BCP structure in thin films was improved by adding AuNPs. The controlled location of AuNPs in the BCP thin films depended on the particle size and stabilizing species. The re-orientation of cylindrical domains depended on the modification of AuNPs. PPMA-coated AuNPs, corresponding to the lower surface energy component of BCP, were powerful in directing the cylinders from parallel to perpendicular to the substrate. These results provide a general guide for other BCP/inorganic NP hybrid systems for desired morphology and nanostructure orientation.

The term "topological insulator" (TI) represents a novel class of compounds which are insulating in the bulk, but simultaneously and unavoidably have a metallic surface. The reason for this is the non-trivial band topology, arising from particular band inversions and the spin-orbit interaction, of the bulk. These topologically protected metallic surface states are characterized by massless Dirac dispersion and locked helical spin polarization, leading to forbidden back-scattering with robustness against disorder. Based on the extraordinary features of the topological insulators an abundance of new phenomena and many exciting experiments have been proposed by theoreticians, but still await their experimental verification, not to mention their implementation into applications, e.g. the creation of Majorana fermions, advanced spintronics, or the realization of quantum computers. In this perspective, the 3D TIs Bi2Te3 and Bi2Se3 gained a lot of interest due to their relatively simple electronic band structure, having only a single Dirac cone at the surface. Furthermore, they exhibit an appreciable bulk band gap of up to ~ 0.3 eV, making room temperature applications feasible. Yet, the execution of these proposals remains an enormous experimental challenge. The main obstacle, which thus far hampered the electrical characterization of topological surface states via transport experiments, is the residual extrinsic conductivity arising from the presence of defects and impurities in their bulk, as well as the contamination of the surface due to exposure to air. This thesis is part of the actual effort in improving sample quality to achieve bulk-insulating Bi2Te3 films and study of their electrical properties under controlled conditions. Furthermore, appropriate capping materials preserving the electronic features under ambient atmosphere shall be identified to facilitate more sophisticated ex-situ experiments. Bi2Te3 thin films were fabricated by molecular beam epitaxy (MBE). It could be shown that, by optimizing the growth conditions, it is indeed possible to obtain consistently bulk-insulating and single-domain TI films. Hereby, the key factor is to supply the elements with a Te/Bi ratio of ~8, while achieving a full distillation of the Te, and the usage of substrates with negligible lattice mismatch. The optimal MBE conditions for Bi2Te3 were found in a two-step growth procedure at substrate temperatures of 220°C and 250°C, respectively, and a Bi flux rate of 1 Å/min. Subsequently, the structural characterization by high- and low-energy electron diffraction, photoelectron spectroscopy, and, in particular, the temperature-dependent conductivity measurements were entirely done inside the same ultra-high vacuum (UHV) system, ensuring a reliable record of the intrinsic properties of the topological surface states. Bi2Te3 films with thicknesses ranging from 10 to 50 quintuple layers (QL; 1QL~1 nm) were fabricated to examine, whether the conductivity is solely arising from the surface states. Angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) demonstrates that the chemical potential for all these samples is located well within the bulk band gap, and is only intersected by the topological surface states, displaying the characteristic linear dispersion. A metallic-like temperature dependency of the sheet resistance is observed from the in-situ transport experiments. Upon going from 10 to 50QL the sheet resistance displays a variation by a factor 1.3 at 14K and of 1.5 at room temperature, evidencing that the conductivity is indeed dominated by the surface. Low charge carrier concentrations in the range of 2–4*10^12 cm^−2 with high mobility values up to 4600 cm2/Vs could be achieved. Furthermore, the degradation effect of air exposure on the conductance of the Bi2Te3 films was quantified, emphasizing the necessity to protect the surface from ambient conditions. Since the films behave inert to pure oxygen, water/moisture is the most probable source of degeneration. Moreover, epitaxially grown elemental tellurium was identified as a suitable capping material preserving the properties of the intrinsically insulating Bi2Te3 films and protecting from alterations during air exposure, facilitating well-defined and reliable ex-situ experiments. These findings serve as an ideal platform for further investigations and open the way to prepare devices that can exploit the intrinsic features of the topological surface states. / Der Begriff "Topologischer Isolator" (TI) beschreibt eine neuartige Klasse von Verbindungen deren Inneres (engl. Bulk) isolierend ist, dieses Innere aber gleichzeitig und zwangsläufig eine metallisch leitende Oberfläche aufweist. Dies ist begründet in der nicht-trivialen Topologie dieser Materialien, welche durch eine spezielle Invertierung einzelner Bänder in der Bandstruktur und der Spin-Bahn-Kopplung im Materialinneren hervorgerufen ist. Diese topologisch geschützten, metallischen Oberflächenzustände sind gekennzeichnet durch eine masselose Dirac Dispersionsrelation und gekoppelte Helizität der Spinpolarisation, welche die Rückstreuung der Ladungsträger verbietet und somit zur Stabilisierung der Zustände gegenüber Störungen beiträgt. Auf Grundlage dieser außergewöhnlichen Merkmale haben Theoretiker eine Fülle neuer Phänomene und spannender Experimente vorhergesagt. Deren experimentelle Überprüfung steht jedoch noch aus, geschweige denn deren Umsetzung in Anwendungen, wie zum Beispiel die Erzeugung von Majorana Teilchen, fortgeschrittene Spintronik, oder die Realisierung von Quantencomputern. Aufgrund ihrer relativ einfachen Bandstruktur, welche nur einen Dirac-Kegel an der Oberfläche aufweist, haben die 3D TI Bi2Te3 und Bi2Se3 in den letzten Jahren großes Interesse erlangt. Weiterhin besitzen diese Materialien eine merkliche Bandlücke von bis zu ~0,3 eV, welche sogar Anwendungen bei Raumtemperatur ermöglichen könnten. Dennoch ist deren experimentelle Umsetzung nachwievor eine enorme Herausforderung. Das Haupthindernis, welches bis jetzt insbesondere die elektrische Charakterisierung the topologischen Oberflächenzustände behindert hat, ist die zusätzliche Leitfähigkeit des Materialinneren, welche durch Kristalldefekte und Beimischungen, sowie die Verunreinigung der Probenoberfläche durch Luftexposition bedingt wird. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zu aktuellen den Anstrengungen in der Verbesserung der Probenqualität der TI um die Leitfähigkeit des Materialinneren zu unterdrücken, sowie die anschließende Untersuchung der elektrischen Eigenschaften unter kontrollierten Bedingungen durchzuführen. Weiterhin sollen geeignete Deckschichten identifiziert werden, welche die besonderen elektronischen Merkmale der TI nicht beeinflussen sowie diese gegen äußere Einflüsse schützen, und somit die Durchführung anspruchsvoller ex situ Experimente ermöglichen können. Die untersuchten Bi2Te3 Schichten wurden mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass es allein durch Optimierung der Wachstumsbedingungen möglich ist Proben herzustellen, die gleichbleibend isolierende Eigenschaften des TI Inneren aufweisen und Eindomänen-Ausrichtung besitzen. Die zentralen Faktoren sind hierbei die Aufrechterhaltung eines Flussratenverhältnisses von Te/Bi ~8 der einzelnen Elemente, sowie die Wahl einer ausreichend hohen Substrattemperatur, um ein vollständiges Abdampfen (Destillation) des überschüssigen Tellur zu erreichen. Weiterhin müssen Substrate mit gut angepassten Gitterparametern verwendet werden, welches bei BaF2 (111) gegeben ist. Optimales MBE Wachstum konnte durch ein Zwei-Stufen Prozess bei Substrattemperaturen von 220°C und 250°C und einer Bi-Verdampfungsrate von 1 Å/min erreicht werden. Die nachfolgende Charakterisierung der strukturellen Eigenschaften, Photoelektronenspektroskopie, sowie temperaturabhängige Leitfähigkeitsmessungen wurden alle in einem zusammenhängenden Ultrahochvakuum-System durchgeführt. Auf diese Weise wird eine zuverlässige Erfassung der intrinsischen Eigenschaften der TI sichergestellt. Zur Überprüfung, ob die Leitfähigkeit der Proben tatsächlich nur durch die Oberflächenzustände hervorgerufen wird, wurden Filme mit Schichtdicken im Bereich von 10 bis 50 Quintupel-Lagen (QL; 1QL~ 1 nm) hergestellt und charakterisiert. Winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (ARPES) belegt, dass das chemische Potential (Fermi-Niveau) in allen Proben innerhalb der Bandlücke der Bandstruktur des Materialinneren liegt und nur von den topologisch geschützten Oberflächenzuständen gekreuzt wird, welche die charakteristische lineare Dirac Dispersionsrelation aufweisen. Die temperaturabhängigen Widerstandsmessungen zeigen ein metallisches Verhalten aller Proben. Bei der Variation der Schichtdicke von 10 zu 50QL wird eine Streuung des Flächenwiderstandes vom Faktor 1,3 bei 14K und 1,5 bei Raumtemperatur beobachtet. Dies beweist, dass die gemessene Leitfähigkeit vorrangig durch die topologisch geschützten Oberflächenzustände hervorgerufen wird. Eine geringe Oberflächenladungsträgerkonzentration im Bereich von 2–4*10^12 cm^−2 und hohe Mobilitätswerte von bis zu 4600 cm2/Vs wurden erreicht. Weiterhin wurden die negativen Auswirkungen auf die Eigenschaften der TI durch Luftexposition quantifiziert, welches die Notwendigkeit belegt, die Oberfläche der TI vor Umgebungseinflüssen zu schützen. Die Proben verhalten sich inert gegenüber reinem Sauerstoff, daher ist Wasser aus der Luftfeuchte höchstwahrscheinlich der Hauptgrund für die beobachtbare Verschlechterung. Darüber hinaus konnte epitaktisch gewachsenes Tellur als geeignete Deckschicht ausfindig gemacht werden, welches die Eigenschaften der Bi2Te3 Filme nicht beeinflusst, sowie gegen Veränderungen durch Luftexposition schützt. Die gewonnenen Erkenntnisse stellen eine ideale Grundlage für weiterführende Untersuchungen dar und ebnen den Weg zur Entwicklung von Bauelementen welche die spezifischen Besonderheiten der topologischen Oberflächenzustände.

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The term "topological insulator" (TI) represents a novel class of compounds which are insulating in the bulk, but simultaneously and unavoidably have a metallic surface. The reason for this is the non-trivial band topology, arising from particular band inversions and the spin-orbit interaction, of the bulk. These topologically protected metallic surface states are characterized by massless Dirac dispersion and locked helical spin polarization, leading to forbidden back-scattering with robustness against disorder. Based on the extraordinary features of the topological insulators an abundance of new phenomena and many exciting experiments have been proposed by theoreticians, but still await their experimental verification, not to mention their implementation into applications, e.g. the creation of Majorana fermions, advanced spintronics, or the realization of quantum computers. In this perspective, the 3D TIs Bi2Te3 and Bi2Se3 gained a lot of interest due to their relatively simple electronic band structure, having only a single Dirac cone at the surface. Furthermore, they exhibit an appreciable bulk band gap of up to ~ 0.3 eV, making room temperature applications feasible. Yet, the execution of these proposals remains an enormous experimental challenge. The main obstacle, which thus far hampered the electrical characterization of topological surface states via transport experiments, is the residual extrinsic conductivity arising from the presence of defects and impurities in their bulk, as well as the contamination of the surface due to exposure to air. This thesis is part of the actual effort in improving sample quality to achieve bulk-insulating Bi2Te3 films and study of their electrical properties under controlled conditions. Furthermore, appropriate capping materials preserving the electronic features under ambient atmosphere shall be identified to facilitate more sophisticated ex-situ experiments. Bi2Te3 thin films were fabricated by molecular beam epitaxy (MBE). It could be shown that, by optimizing the growth conditions, it is indeed possible to obtain consistently bulk-insulating and single-domain TI films. Hereby, the key factor is to supply the elements with a Te/Bi ratio of ~8, while achieving a full distillation of the Te, and the usage of substrates with negligible lattice mismatch. The optimal MBE conditions for Bi2Te3 were found in a two-step growth procedure at substrate temperatures of 220°C and 250°C, respectively, and a Bi flux rate of 1 Å/min. Subsequently, the structural characterization by high- and low-energy electron diffraction, photoelectron spectroscopy, and, in particular, the temperature-dependent conductivity measurements were entirely done inside the same ultra-high vacuum (UHV) system, ensuring a reliable record of the intrinsic properties of the topological surface states. Bi2Te3 films with thicknesses ranging from 10 to 50 quintuple layers (QL; 1QL~1 nm) were fabricated to examine, whether the conductivity is solely arising from the surface states. Angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) demonstrates that the chemical potential for all these samples is located well within the bulk band gap, and is only intersected by the topological surface states, displaying the characteristic linear dispersion. A metallic-like temperature dependency of the sheet resistance is observed from the in-situ transport experiments. Upon going from 10 to 50QL the sheet resistance displays a variation by a factor 1.3 at 14K and of 1.5 at room temperature, evidencing that the conductivity is indeed dominated by the surface. Low charge carrier concentrations in the range of 2–4*10^12 cm^−2 with high mobility values up to 4600 cm2/Vs could be achieved. Furthermore, the degradation effect of air exposure on the conductance of the Bi2Te3 films was quantified, emphasizing the necessity to protect the surface from ambient conditions. Since the films behave inert to pure oxygen, water/moisture is the most probable source of degeneration. Moreover, epitaxially grown elemental tellurium was identified as a suitable capping material preserving the properties of the intrinsically insulating Bi2Te3 films and protecting from alterations during air exposure, facilitating well-defined and reliable ex-situ experiments. These findings serve as an ideal platform for further investigations and open the way to prepare devices that can exploit the intrinsic features of the topological surface states.:Abstract Kurzfassung Acronyms List of Symbols Introduction 1 Topological insulators 1.1 Basic theory of topological insulators 1.2 3D topological insulator materials: bismuth chalcogenides 2 Experimental techniques 2.1 General layout of the UHV-system 2.2 Molecular beam epitaxy 2.3 Structural and spectroscopic characterization 2.3.1 RHEED and LEED 2.3.2 Photoelectron spectroscopy 2.3.3 Ex situ x-ray diffraction 2.4 In situ electrical resistance measurements 2.4.1 In situ transport setup 2.4.2 Measurement equipment and operation modes 2.5 Substrates and sample holders 3 MBE growth and structural characterization of Bi2Te3 thin films 3.1 Bi2Te3 growth optimization and in situ structural characterization 3.1.1 1-step growth on Al2O3 (0001) 3.1.2 2-step growth on Al2O3 (0001) 3.1.3 2-step growth on BaF2 (111) 3.2 Ex situ structural characterization 4 In situ spectroscopy and transport properties of Bi2Te3 thin films 4.1 In situ spectroscopy of Bi2Te3 thin films 4.1.1 XPS 4.1.2 ARPES 4.2 Combined ARPES and in situ electrical resistance measurements of bulk-insulating Bi2Te3 thin films 4.2.1 Quality of the in situ electrical sample contacts 4.2.2 Verification of the intrinsic conduction through topological surface states of bulk-insulating Bi2Te3 thin films 5 Effect of surface contaminants on the TI properties 5.1 Effect of air exposure on the electrical conductivity of Bi2Te3 surfaces 5.2 Determination of the contaminants causing degradation of the TI properties 5.3 Long-time resistance behavior of a Bi2Te3 film exposed to minimal traces of contaminants 6 Protective capping of bulk-insulating Bi2Te3 thin films 6.1 Capping with BaF2 6.1.1 MBE growth and structure of BaF2 on Bi2Te3 thin films 6.1.2 Electron spectroscopy and electrical transport properties of BaF2 capped Bi2Te3 6.2 Capping with tellurium 6.2.1 MBE growth and structure of Te on Bi2Te3 thin films 6.2.2 Photoelectron spectroscopy and electrical transport properties of Te capped Bi2Te3 6.2.3 De-capping of Te 6.2.4 Efficiency of Te capping against air exposure 7 Conclusion and outlook Bibliography Versicherung Curriculum vitae Veröffentlichungen / Der Begriff "Topologischer Isolator" (TI) beschreibt eine neuartige Klasse von Verbindungen deren Inneres (engl. Bulk) isolierend ist, dieses Innere aber gleichzeitig und zwangsläufig eine metallisch leitende Oberfläche aufweist. Dies ist begründet in der nicht-trivialen Topologie dieser Materialien, welche durch eine spezielle Invertierung einzelner Bänder in der Bandstruktur und der Spin-Bahn-Kopplung im Materialinneren hervorgerufen ist. Diese topologisch geschützten, metallischen Oberflächenzustände sind gekennzeichnet durch eine masselose Dirac Dispersionsrelation und gekoppelte Helizität der Spinpolarisation, welche die Rückstreuung der Ladungsträger verbietet und somit zur Stabilisierung der Zustände gegenüber Störungen beiträgt. Auf Grundlage dieser außergewöhnlichen Merkmale haben Theoretiker eine Fülle neuer Phänomene und spannender Experimente vorhergesagt. Deren experimentelle Überprüfung steht jedoch noch aus, geschweige denn deren Umsetzung in Anwendungen, wie zum Beispiel die Erzeugung von Majorana Teilchen, fortgeschrittene Spintronik, oder die Realisierung von Quantencomputern. Aufgrund ihrer relativ einfachen Bandstruktur, welche nur einen Dirac-Kegel an der Oberfläche aufweist, haben die 3D TI Bi2Te3 und Bi2Se3 in den letzten Jahren großes Interesse erlangt. Weiterhin besitzen diese Materialien eine merkliche Bandlücke von bis zu ~0,3 eV, welche sogar Anwendungen bei Raumtemperatur ermöglichen könnten. Dennoch ist deren experimentelle Umsetzung nachwievor eine enorme Herausforderung. Das Haupthindernis, welches bis jetzt insbesondere die elektrische Charakterisierung the topologischen Oberflächenzustände behindert hat, ist die zusätzliche Leitfähigkeit des Materialinneren, welche durch Kristalldefekte und Beimischungen, sowie die Verunreinigung der Probenoberfläche durch Luftexposition bedingt wird. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zu aktuellen den Anstrengungen in der Verbesserung der Probenqualität der TI um die Leitfähigkeit des Materialinneren zu unterdrücken, sowie die anschließende Untersuchung der elektrischen Eigenschaften unter kontrollierten Bedingungen durchzuführen. Weiterhin sollen geeignete Deckschichten identifiziert werden, welche die besonderen elektronischen Merkmale der TI nicht beeinflussen sowie diese gegen äußere Einflüsse schützen, und somit die Durchführung anspruchsvoller ex situ Experimente ermöglichen können. Die untersuchten Bi2Te3 Schichten wurden mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass es allein durch Optimierung der Wachstumsbedingungen möglich ist Proben herzustellen, die gleichbleibend isolierende Eigenschaften des TI Inneren aufweisen und Eindomänen-Ausrichtung besitzen. Die zentralen Faktoren sind hierbei die Aufrechterhaltung eines Flussratenverhältnisses von Te/Bi ~8 der einzelnen Elemente, sowie die Wahl einer ausreichend hohen Substrattemperatur, um ein vollständiges Abdampfen (Destillation) des überschüssigen Tellur zu erreichen. Weiterhin müssen Substrate mit gut angepassten Gitterparametern verwendet werden, welches bei BaF2 (111) gegeben ist. Optimales MBE Wachstum konnte durch ein Zwei-Stufen Prozess bei Substrattemperaturen von 220°C und 250°C und einer Bi-Verdampfungsrate von 1 Å/min erreicht werden. Die nachfolgende Charakterisierung der strukturellen Eigenschaften, Photoelektronenspektroskopie, sowie temperaturabhängige Leitfähigkeitsmessungen wurden alle in einem zusammenhängenden Ultrahochvakuum-System durchgeführt. Auf diese Weise wird eine zuverlässige Erfassung der intrinsischen Eigenschaften der TI sichergestellt. Zur Überprüfung, ob die Leitfähigkeit der Proben tatsächlich nur durch die Oberflächenzustände hervorgerufen wird, wurden Filme mit Schichtdicken im Bereich von 10 bis 50 Quintupel-Lagen (QL; 1QL~ 1 nm) hergestellt und charakterisiert. Winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (ARPES) belegt, dass das chemische Potential (Fermi-Niveau) in allen Proben innerhalb der Bandlücke der Bandstruktur des Materialinneren liegt und nur von den topologisch geschützten Oberflächenzuständen gekreuzt wird, welche die charakteristische lineare Dirac Dispersionsrelation aufweisen. Die temperaturabhängigen Widerstandsmessungen zeigen ein metallisches Verhalten aller Proben. Bei der Variation der Schichtdicke von 10 zu 50QL wird eine Streuung des Flächenwiderstandes vom Faktor 1,3 bei 14K und 1,5 bei Raumtemperatur beobachtet. Dies beweist, dass die gemessene Leitfähigkeit vorrangig durch die topologisch geschützten Oberflächenzustände hervorgerufen wird. Eine geringe Oberflächenladungsträgerkonzentration im Bereich von 2–4*10^12 cm^−2 und hohe Mobilitätswerte von bis zu 4600 cm2/Vs wurden erreicht. Weiterhin wurden die negativen Auswirkungen auf die Eigenschaften der TI durch Luftexposition quantifiziert, welches die Notwendigkeit belegt, die Oberfläche der TI vor Umgebungseinflüssen zu schützen. Die Proben verhalten sich inert gegenüber reinem Sauerstoff, daher ist Wasser aus der Luftfeuchte höchstwahrscheinlich der Hauptgrund für die beobachtbare Verschlechterung. Darüber hinaus konnte epitaktisch gewachsenes Tellur als geeignete Deckschicht ausfindig gemacht werden, welches die Eigenschaften der Bi2Te3 Filme nicht beeinflusst, sowie gegen Veränderungen durch Luftexposition schützt. Die gewonnenen Erkenntnisse stellen eine ideale Grundlage für weiterführende Untersuchungen dar und ebnen den Weg zur Entwicklung von Bauelementen welche die spezifischen Besonderheiten der topologischen Oberflächenzustände.:Abstract Kurzfassung Acronyms List of Symbols Introduction 1 Topological insulators 1.1 Basic theory of topological insulators 1.2 3D topological insulator materials: bismuth chalcogenides 2 Experimental techniques 2.1 General layout of the UHV-system 2.2 Molecular beam epitaxy 2.3 Structural and spectroscopic characterization 2.3.1 RHEED and LEED 2.3.2 Photoelectron spectroscopy 2.3.3 Ex situ x-ray diffraction 2.4 In situ electrical resistance measurements 2.4.1 In situ transport setup 2.4.2 Measurement equipment and operation modes 2.5 Substrates and sample holders 3 MBE growth and structural characterization of Bi2Te3 thin films 3.1 Bi2Te3 growth optimization and in situ structural characterization 3.1.1 1-step growth on Al2O3 (0001) 3.1.2 2-step growth on Al2O3 (0001) 3.1.3 2-step growth on BaF2 (111) 3.2 Ex situ structural characterization 4 In situ spectroscopy and transport properties of Bi2Te3 thin films 4.1 In situ spectroscopy of Bi2Te3 thin films 4.1.1 XPS 4.1.2 ARPES 4.2 Combined ARPES and in situ electrical resistance measurements of bulk-insulating Bi2Te3 thin films 4.2.1 Quality of the in situ electrical sample contacts 4.2.2 Verification of the intrinsic conduction through topological surface states of bulk-insulating Bi2Te3 thin films 5 Effect of surface contaminants on the TI properties 5.1 Effect of air exposure on the electrical conductivity of Bi2Te3 surfaces 5.2 Determination of the contaminants causing degradation of the TI properties 5.3 Long-time resistance behavior of a Bi2Te3 film exposed to minimal traces of contaminants 6 Protective capping of bulk-insulating Bi2Te3 thin films 6.1 Capping with BaF2 6.1.1 MBE growth and structure of BaF2 on Bi2Te3 thin films 6.1.2 Electron spectroscopy and electrical transport properties of BaF2 capped Bi2Te3 6.2 Capping with tellurium 6.2.1 MBE growth and structure of Te on Bi2Te3 thin films 6.2.2 Photoelectron spectroscopy and electrical transport properties of Te capped Bi2Te3 6.2.3 De-capping of Te 6.2.4 Efficiency of Te capping against air exposure 7 Conclusion and outlook Bibliography Versicherung Curriculum vitae Veröffentlichungen

In der vorliegenden Arbeit wurde mit Hilfe eines Photon-STM die Korrelation zwischen optischen Eigenschaften und der lokalen Morphologie an zwei unterschiedlichen Systemen untersucht. Hierfür wurden zum einem oxidgetragene Ensemble von Silber-Partikeln präpariert, wobei sowohl die Partikelform (Kuppel- und Scheibenform) als auch die deponierte Partikeldichte variiert werden konnte. Neben der Präparation solcher Partikel auf Al10O13/NiAl, konnten sphärische Silber-Kolloide geordnet, als auch ungeordnet auf HOPG aufgebracht und untersucht werden. Dabei zeigte sich, dass das Verhältnis von Höhen zu Breiten nicht nur einen signifikanten Einfluss auf die Mie-Resonanz des einzelnen Partikels hat, sondern auch die elektromagnetische Kopplung der Partikel in einem Ensemble stark kontrolliert. Die energetische Lage der Mie-Resonanz zeigt im Fall der kuppelförmigen Ag-Partikel eine starke Abhängigkeit vom Intepartikel-Abstand, was sich in einer Verschiebung zu höheren Energien für eine steigende Partikeldichte äußert. Eine solche Abhängigkeit konnte bei den Ensembles der scheibenförmigen Partikel nicht beobachtet werden. Des weiteren zeigte sich, dass, verglichen mit den ungeordneten Ensembles, die selbstorganisierte langreichweitige Ordnung der Silber-Kolloide auf HOPG nur einen schwachen Einfluss auf die energetische Position der Mie Resonanz hat.Das zweite hier untersuchte System sind dünne MgO Filme unterschiedlicher Dicken auf einem Mo(001) Substrat. Diese zeigen ein reichhaltiges Wachstumsverhalten, welches durch eine Differenz in den Gitterkonstanten von 5.3% begründet ist und erst ab etwa 25 ML zu einem flachen und defektarmen Film führt. Die so induzierte Spannung relaxiert bis zu einer Dicke von etwa 7 ML in einer periodischen Überstruktur die aus abwechselnd flachen und verkippten Ebenen an der MgO-Mo Grenzschicht hervorgeht. Für MgO Filme mit einer Dicke von etwa 12 ML werden dann Schraubenversetzungen, ausgedehnte verkippte Ebenen und Stufenkanten mit einer Orientierung entlang der Richtung beobachtet. Die optische Charakterisierung durch Feldemission von Elektronen aus der STM-Spitze in den MgO-Film wird dominiert von zwei Emissionsmaxima bei Energien von 3.1 eV und 4.4 eV. Die kontrollierte Nukleation von Gold Partikeln und die Erzeugung von Farbzentren im MgO Film erlaubten eine Zuordnung dieser Emissionen zu strahlenden Zerfällen von Exitonen an Ecken, Kinken bzw. Stufen des Magnesiumoxids. Solche Emissionsprozesse konnten allerdings nur unter Einstellungen beobachtet werden, bei denen ein gleichzeitiges Rastern der Oberfläche unmöglich ist. Bei moderaten Einstellungen war auch eine ortsaufgelösten Spektroskopie möglich, wobei dann neue Emissionsmechanismen beobachtet wurden. Dabei sind zwei Prozesse wesentlich; zum einen die Ausbildung von sog. Spitzen-induzierten Plasmonen im Bereich zwischen Spitze und dem Mo-Substrat, zum anderen strahlende Elektronenübergänge zwischen sog. Feldemissionsresonanzen, die sich im Spitze/MgO-Film System ausbilden. / In this thesis, the correlation between the optical properties and the local morphology of supported silver nanoparticle ensembles and MgO thin films deposited on Mo(001) systems is explored by means of Photon-STM. In the first section, dome and disk shaped Ag nanoparticle ensembles with increasing density on an alumina film on NiAl(110) were analyzed as well as ordered and disordered ensembles of Ag nanocolloids on HOPG. The aspect ratio of the Ag nanoparticles was found to have a significant influence not only on the Mie plasmon resonance of a single particle, but also on the electromagnetic coupling within the nanoparticle ensembles. The Mie resonance in the ensemble of dome shaped Ag nanoparticles shows a strong dependence on the interparticle distance, where it shifts to higher energies with increasing particle density, due to destructive interference effects. In the disk-like Ag ensembles, however, the plasmon energy is independent of particle-particle separation. The long-range lateral ordering of size-selected Ag nanocolloids is found to induce a high dipole-dipole coupling within the ensemble. This is mainly reflected by the enhancement of the spectral intensity of the in-plane Mie mode, due to constructive coupling. However, ensembles with either well-ordered or disordered arrangements reveal no important difference in their optical properties, reflecting the weak influence of the long-range order in the particle ensemble. Thin MgO films with different thicknesses were grown on a Mo(001) surface. The stress resulting from the 5.3% lattice mismatch between the MgO(001) and the Mo(001) lattice parameters is found to control the surface morphology of the MgO film until thicknesses of around 25ML at which flat and defect-poor films are obtained. The relaxation of the stress induces a periodic network in the first 7ML of the MgO film, consisting of alternated flat and tilted mosaics. The presence of screw dislocations, steps oriented along the MgO directions, and tilted planes is observed when the MgO films are approximately 12ML thick. In addition, an increase of the MgO work function around these new surface features is revealed from STM spectroscopy. The photon emission induced by field-emitted electron injection from the STM tip into the MgO films is dominated by two emission bands located at 3.1eV and 4.4eV. To check the origin of these bands, further experiments, namely, nucleation of Au particles and creation of F-centers on the MgO surface, have been performed. The nucleation of Au particles at the low coordinated sites is found to quench the MgO optical signal, while the creation or annihilation of F-centers does not alter the MgO emission bands. The 3.1eV and the 4.4eV bands are therefore assigned to the radiative decay of MgO excitons at corner and kink sites, and step sites, respectively. Besides, spatially resolved optical measurements in the tunneling mode of the STM revealed different light emission mechanisms. These radiative processes are mainly related to tip-induced plasmons that form between the tip and the Mo support and to electron transitions between field-emission-resonance states in the STM tip-MgO film junction. The signal from exciton decays at corners and kinks of the MgO surface is however only observed at excitation conditions where the spatial resolution is already strongly reduced.