In order to facilitate the human energy needs with renewable energy sources in the future, new concepts and ideas for the electricity generation are needed. Solar cells based on metal halide perovskite semiconductors represent a promising approach to address these demands in both single-junction and tandem configurations with existing silicon technology. Despite intensive research, however, many physical properties and the working principle of perovskite PVs are still not fully understood. In particular, charge carrier recombination losses have so far mostly been studied on pure films not embedded in a complete solar cell. This thesis aimed for the identification and quantification of charge carrier recombination dynamics in fully working devices under conditions corresponding to those under real operation. To study different PV systems, transient electrical methods, more precisely Open-Circuit Voltage Decay (OCVD), Transient Photovoltage (TPV) and Charge Extraction (CE), were applied. Whereas OCVD and TPV provide information about the recombination lifetime, CE allows to access the charge carrier density at a specific illumination intensity. The benefit of combining these different methods is that the obtained quantities can not only be related to the Voc but also to each other, thus enabling to determine also the dominant recombination mechanisms.The aim of this thesis is to contribute to a better understanding of recombination losses in fully working perovskite solar cells and the experimental techniques which are applied to determine these losses. / Um künftig den menschlichen Energiebedarf in Zukunft mit erneuerbaren Energiequellen zu decken sind neue Konzepte und Ideen für die Stromerzeugung erforderlich. Solarzellen auf der Basis von hybriden Perowskit-Halbleitern stellen einen vielversprechenden Ansatz dar, um dieser Anforderung – beispielsweise in Tandem-Konfigurationen zusammen mit Silizium– gerecht zu werden. Trotz intensiver Forschung sind viele physikalische Eigenschaften und das Funktionsprinzip dieser neuartigen Solarzellen immer noch nicht vollständig verstanden. Insbesondere wurden die Rekombinationsverluste bisher meist nur an reinen Schichten untersucht, welche nicht in einen kompletten Solarzellenaufbau integriert waren. Die vorliegende Arbeit zielte auf die Identifizierung und Quantifizierung der Ladungsträger-Rekombinationsdynamik in voll funktionsfähigen Solarzellen unter Bedingungen, die denen im realen Betrieb entsprechen, ab. Um verschiedene PV-Systeme zu untersuchen wurden transiente elektrische Methoden, genauer gesagt OCVD, TPV und CE, angewandt. Während OCVD und TPV Informationen über die Rekombinationslebensdauer liefern, erlaubt CE die Berechnung der Ladungsträgerdichte. Die Kombination dieser Methoden hat den Vorteil, dass die erhaltenen Größen miteinander in Verbindung gesetzt werden können und somit umfangreiche Rückschlüsse auf die zugrundeliegende Rekombinationmechanismen ermöglichen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, zu einem besseren Verständnis der Rekombinationsverluste in voll funktionsfähigen Perowskit-Solarzellen und der experimentellen Techniken, die zur Bestimmung dieser Verluste angewandt werden, beizutragen.

As a non-destructive testing method, X-ray imaging has proved to be suitable for the examination of a variety of objects. The measurement principle is based on the attenuation of X-rays caused by these objects. This attenuation can be recorded as shades of intensity using X-ray detectors and thus contains information about the inner structure of the investigated object. Since X-rays are electromagnetic waves, they also experience a change of phase in addition to their attenuation while penetrating an object. In general, imaging methods based on this effect are referred to as phase contrast imaging techniques. In the laboratory, the two mainly used methods are the propagation based phase contrast or in-line phase contrast and the grating interferometry. While in-line phase contrast - under certain conditions - shows edge enhancement at interfaces due to interference, phase contrast in the grating interferometry is only indirectly measurable by the use of several gratings. In addition to phase contrast, grating interferometry provides access to the so-called dark-field imaging contrast, which measures the scattering of X-rays caused by an object. These two imaging techniques, together with a novel concept of laboratory X-ray sources, the liquid-metal-jet, form the main part of this work. Compared to conventional X-ray sources, the liquid-metal-jet source offers higher brightness. The term brightness is defined by the number of X-ray photons per second, emitting area (area of the X-ray spot) and solid angle at which they are emitted. On the basis of this source, a high resolution in-line phase contrast setup was partially developed in the scope of this work. Several computed tomographies show the feasibility of in-line phase contrast and the improvement of image quality by applying phase retrieval algorithms. Moreover, the determination of optimized sample positions for in-line phase contrast imaging is treated at which the edge enhancement is maximized. Based on primitive fiber objects, this optimization has proven to be a good approximation. With its high brightness in combination with a high spatial coherence, the liquid-metal-jet source is also interesting for grating interferometry. The development of such a setup is also part of this work. The overall concept and the characterization of the setup is presented as well as the applicability and its limits for the investigation of various objects. Due to the very unique concept of this grating interferometer it was possible to realize a modified interferometer system by using a single grating only. Its concept and results are also presented in this work. Furthermore, a grating interferometer based on a microfocus X-ray tube was tested regarding its performance. Thereby, parameters like the anode material, acquisition geometry and gratings were altered in order to find the advantages and disadvantages of each configuration. / Als zerstörungsfreie Prüfmethode hat sich die Röntgenbildgebung zur Untersuchung unterschiedlichster Prüfobjekte bewährt. Das Messprinzip beruht dabei auf der durch das Prüfobjekt verursachten Schwächung der Röntgenstrahlung. Diese Schwächung kann als Helligkeitsschattierungen mittels eines Detektors aufgenommen werden und beinhaltet somit Informationen über das Innere des untersuchten Objekts. Da Röntgenstrahlen elektromagnetische Wellen sind, erfahren sie beim Durchdringen eines Objekts neben der Schwächung auch eine Veränderung ihrer Phase. Bildgebungsmethoden auf Grundlage dieses Effekts werden allgemein als Phasenkontrastbildgebungsverfahren zusammengefasst. Im Bereich von Laboraufbauten sind die zwei hauptsächlich genutzten Methoden der propagationsbasierte Phasenkontrast, auch In-line Phasenkontrast genannt, und die Gitterinterferometrie. Während sich beim In-line Phasenkontrast – unter gewissen Umständen – Kontrastüber-höhungen an Grenzflächen auf Grund von Interferenzen ausprägen, ist der Phasenkontrastbei der Gitterinterferometrie nur indirekt durch Verwendung mehrerer Gitter messbar. Neben dem Phasenkontrast ermöglicht die Gitterinterferometrie den Zugang zu einem weiteren Kontrastmodus, dem sogenannten Dunkelfeldkontrast, welcher ein Maß für die Streuung von Röntgenstrahlen an einer Probe darstellt. Diese beiden Bildgebungsmethoden im Zusammenhang mit einem neuartigen Konzept vonLaborröntgenquellen, der Flüssigmetallanodenröhre, bilden den Kern dieser Arbeit. Im Vergleich zu herkömmlichen Röntgenquellen bietet die Flüssigmetallanodenröhre eine höhere Brillanz. Der Begriff der Brillanz ist definiert durch die Anzahl von Röntgenphotonen pro Sekunde, emittierender Fläche (Fläche des Röntgenbrennflecks) und Raumwinkel, unter dem diese abgestrahlt werden. Auf Basis einer solchen Quelle wurde im Rahmen dieser Arbeit ein hochauflösender propagationsbasierter Phasenkontrastaufbau mitentwickelt. Ausgewählte Anwendungsbeispiele zeigen die Machbarkeit dieser Bildgebungsmethode und die Verbesserung der Bildqualität durch Anwendung von Phasenrückgewinnungsalgorithmen. Des Weiteren wird die Entwicklung einer Optimierung der Probenposition für den In-line Phasenkontrast behandelt, mit dem Ziel, die Kontrastüberhöhungen zu maximieren. Anhand experimenteller Überprüfung an Fasern erwies sich diese Optimierung als gute Näherung. Mit ihrer hohen Brillanz und räumlichen Kohärenz ist die Flüssigmetallanodenröhre eine vielversprechende Röntgenquelle für den Einsatz an einem Gitterinterferometer, weshalb auch die Entwicklung eines solchen Aufbaus im Fokus der Arbeit stand. Neben der Präsentation des Gesamtkonzepts und der Charakterisierung des Systems konnten die Anwendbarkeit aber auch die Grenzen dieses Aufbaus zur Untersuchung verschiedenster Materialiengezeigt werden. Auf Grund des sehr speziellen Gesamtkonzepts des Gitterinterferometers gelang es, ein abgewandeltes Interferometersystem mit nur einem Gitter zu realisieren. Dessen Konzeption und Ergebnisse werden im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls dargestellt. Des Weiteren wurde ein Gitterinterferometer unter Verwendung einer Mikrofokusröntgenquelle hinsichtlich seiner Eigenschaften erprobt. Dabei wurden Systemparameter wie Anodenmaterial, Aufnahmegeometrie und Gitter variiert, um sowohl Vor- als auch Nachteile einer jeden Konfiguration zu finden.

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Weiterentwicklung von Laserlichtquellen basierend auf der Interbandkaskadentechnologie in einem Wellenlängenbereich von ca. 3 bis 6 µm. Der Fokus lag dabei auf der Entwicklung von Kantenemitter-Halbleiterlasern, welche bei verschiedensten Emissionswellenlängen erfolgreich hergestellt werden konnten. Dabei wurde auf jeweilige Herausforderungen eingegangen, welche entweder durch die Herstellung selbst oder der anwendungstechnischen Zielsetzung bedingt war. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene, spektral einzelmodige Halbleiterlaser im angesprochenen Wellenlängenbereich entwickelt und hergestellt. Basierend auf dem jeweiligen Epitaxiematerial und der angestrebten Emissionswellenlänge wurden Simulationen der optischen Lasermode durchgeführt und die grundlegenden für die Herstellung notwendigen Parameter bestimmt und experimentell umgesetzt. Des Weiteren wurden die verwendeten Verfahren für den jeweiligen Herstellungsprozess angepasst und optimiert. Das umfasst die in den ersten Kapiteln beschriebenen Schritte wie optische Lithografie, Elektronenstrahllithografie, reaktives Trockenätzen und verschiedene Arten der Materialdeposition. Mit einer Emissionswellenlänge von 2,8 µm wurde beispielsweise der bislang kurzwelligste bei Raumtemperatur im Dauerstrichbetrieb betriebene einzelmodige Interbandkaskadenlaser hergestellt. Dessen Leistungsmerkmale sind mit Diodenlasern im entsprechenden Emissionsbereich vergleichbar. Somit ergänzt die Interbandkaskadentechnologie bestehende Technologien nahtlos und es ist eine lückenlose Wellenlängenabdeckung bis in den mittleren Infrarotbereich möglich. Je nach Herstellungsprozess wurde außerdem auf die verteilte Rückkopplung eingegangen und die Leistungsfähigkeit des verwendeten Metallgitterkonzeptes anhand von Messungen an spektral einzelmodigen Bauteile aufgezeigt. Es wurden aber auch die je nach Zielsetzung unterschiedlichen Herausforderungen aufgezeigt und diskutiert. Für eine Anwendung wurden spezielle Laserchips mit zwei einzelmodigen Emissionswellenlängen bei 3928 nm und 4009 nm entwickelt. Die beiden Wellenlängen sind für die Detektion von Schwefeldioxid und Schwefelwasserstoff geeignet, welche zur Überwachung und Optimierung der Schwefelgewinnung durch das Claus-Verfahren notwendig sind. Bei der Umsetzung wurden auf einzelnen Chips zwei Laseremitter in einem Abstand von 70 µm platziert und mit je einem Metallgitter versehen. Das verwendete Epitaxiematerial war so konzipiert, dass es optimal für beide Zielwellenlängen verwendet werden kann. Die geforderten Eigenschaften wurden erfüllt und die Bauteile konnten erfolgreich hergestellt werden. Die Emissionseigenschaften und das spektrale Verhalten wurde bei beiden Zielwellenlängen bestimmt. Einzeln betrachtet erfüllen beide Emitter die notwendigen Eigenschaften um für spektroskopische Anwendungen eingesetzt werden zu können. Ergänzend wurde zum einen das Abstimmverhalten der Emissionswellenlänge in Abhängigkeit der Modulationsfrequenz des Betriebsstromes untersucht und zusätzlich die thermische Abhängigkeit der Betriebsparameter beider Kanäle zueinander bestimmt. Diese Abhängigkeit ist für eine simultane Messung mit beiden Kanälen notwendig. Das Konzept mit mehreren Stegwellenleitern pro Laserchip wurde in einem weiteren Fall noch stärker ausgearbeitet. Denn je nach Komplexität eines Gasgemisches sind zur Bestimmung der einzelnen Komponenten mehr Messpunkte bzw. Wellenlängen notwendig. Im zweiten Fall ist die Analyse der Kohlenwasserstoffe Methan, Ethan, Propan, Butan, Iso-Butan, Pentan und Iso-Pentan von Interesse, welche als Hauptbestandteile von Erdgas z.B. in Erdgasaufbereitungsanlagen oder zur Bestimmung des Heizwertes analysiert werden müssen. Die genannten Kohlenwasserstoffe zeigen ein starkes Absorptionsverhalten im Wellenlängenbereich von 3,3 bis 3,5 µm. Auf dem entsprechend angepassten Interbandkaskadenmaterial wurden Bauteile mit neun Wellenleitern pro Laserchip hergestellt. Mithilfe der neun einzelmodigen Emissionskanäle konnte ein Bereich von bis zu 190 nm (21 meV, 167 cm-1) adressiert werden. Außerdem wurde der sich mit zunehmender Wellenlänge ändernde Schichtaufbau und dessen Einfluss auf die Bauteileigenschaften diskutiert. Die Leistungsdaten der langwelligsten Epitaxie waren im Vergleich deutlich schwächer. Um diesen Nachteil zu kompensieren, wurde eine spezielle Wellenleitergeometrie mit doppeltem Steg genutzt. Die Eigenschaften des Konzeptes wurden zuerst mittels Simulation untersucht und ein entsprechendes Herstellungsverfahren entwickelt. Mit der Simulation als Grundlage wurden die verschiedenen Prozessparameter über mehrere Prozessläufe iterativ optimiert und somit die Performance der Laser verbessert. Auch mit diesem Verfahren konnte ausreichende Kopplung an das Metallgitter erzielt werden. Abschließend wurden mit diesem Herstellungsverfahren einzelmodige Laser im Wellenlängenbereich von 5,9 bis über 6 Mikrometern realisiert. Diese Laser emittierten im Dauerstrichbetrieb bei einer maximalen Betriebstemperatur von -2 °C. Insgesamt wurde anhand der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Bauteilen und de ren Charakterisierung gezeigt, dass diese die Anforderungen von TLAS Anwendungen erfüllen. Jedoch konnte nur auf einen Teil der Möglichkeiten eingegangen werden, den die Interbandkaskadentechnologie bietet, denn die angesprochenen Einsatzgebiete stellen nur einzelne grundlegende Möglichkeiten dieser Technologie mit Schwerpunkt auf laserbasierte Lichtquellen dar. Zusammenfassend kann allerdings gesagt werden, dass sich die Interbandkaskadentechnologie etabliert hat. Gerade durch die gezeigten Leistungsdaten bei den Wellenlängen um 2,9 µm, 3,4 µm und 4,0 µm im Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur wird ersichtlich, dass im Bereich der Sensorik die ICL Technologie in Bezug auf niedriger Strom- bzw. Leistungsaufnahme quasi konkurrenzlos ist. Sicherlich werden die Anwendungsgebiete in Zukunft noch vielfältiger. Denn es sind auf jeden Fall weitere Fortschritte in Richtung höherer Emissionswellenlängen, deutlich höherer Betriebstemperaturen, verbreiterte Emissionsbereiche oder gänzlich andere Bauteil Konzepte wie z.B. für Frequenzkämme bzw. Terahertz Anwendungen zu erwarten. Diese Entwicklung betrifft nicht nur den Einsatz als Lichtquelle, denn auch Interbandkaskadendetektoren bzw. Solarzellen wurden schon realisiert und werden weiterentwickelt. / The work aimed for the development and enhancement of laser sources in the wavelength range from 3 to 6 μm, based on the interband cascade technology. The focus here was to work on edge-emitting semiconductor lasers, which were successfully realized at various wavelengths. In each chapter, the respective challenges were discussed, resulting either from the fabrication process itself or from the underlying application requirements. Within the scope of this work, various spectrally single-mode semiconductor lasers were developed and fabricated within the abovementioned wavelength range. Based on the particular epitaxial material and the targeted emission wavelength, optical mode simulations were performed, the basic processing parameters were derived and later experimentally realized. Furthermore, the methods for the respective manufacturing processes were varied and optimized. This includes processing steps like optical lithography, electron lithography, reactive ion etching and various kinds of material deposition, as described in the first chapters. For example, with an emission wavelength of 2.8 μm in continuous wave mode at room temperature, we demonstrated the shortest ICL DFB emission [SWE+15]. Its performance characteristics are comparable to conventional diode lasers in the same wavelength region. Therefore, the interband cascade technology supplements existing technologies and enables gap-free wavelength coverage up to the mid infrared region. Depending on the fabrication process, the distributed feedback and the efficiency of the used metal grating approach was shown by the demonstration of various spectrally singe mode devices and their performance figures. The various challenges were highlighted in terms of their individual requirements. Customized laser chips with two single-mode emission wavelengths at 3928 nm and 4009 nm were developed for one application [SWB+17]. Both wavelengths are useful for the detection of sulfur oxide and hydrogen sulfide within the Claus process, allowing monitoring and optimization when the concentration levels of these gases are known. Both emitters were realized on single chips, with a distance of 70 μm between each other and each ridge was provided with an individual metal grating. The underlying epitaxial material was designed that it could be optimally used for both target wavelengths. Ultimately, the requirements were met and the devices were fabricated successfully. The performance figures and the spectral behavior were determined at both target wavelengths. Individually, both emitters are capable of being used in spectroscopic applications. In addition, the tuning rate of the emission wavelength depending on the current modulation frequency and the thermal crosstalk between both emitters were investigated. Knowledge of the thermal crosstalk is of interest, when both emitters are used simultaneously. The concept of multiple ridge waveguides per laser chip was further elaborated in another case. Depending on the complexity of the gas mixture, more measurement points/wavelengths are required, to determine the individual components. In a second approach, mixtures of hydrocarbons such as methane, ethane, propane, butane, isobutene, pentane and isopentane are of interest. These main components of natural gas are tracked in natural gas processing plants, for example, or used to determine the calorific value. These hydrocarbons show strong absorption features in the 3.3 to 3.5 μm wavelength range. Devices with nine emitters per chip were fabricated on the appropriately adjusted epitaxial material. These nine single mode emission channels were able to cover a range of 190 nm (21 meV, 167 cm-1). In addition, the changes of the epitaxial structure with respect to increasing emission wavelength and their influence on the device behavior are discussed. The performance data of the longest wavelength epitaxy were significantly weaker in comparison. To compensate for that drawback, a special waveguide design with a double ridge structure was used. The properties of this concept were first investigated by means of simulation and an appropriate processing route was determined. Using the simulation as a basis, the design parameters were iteratively optimized over multiple fabrication runs and the performance of the lasers was improved. With this approach, sufficient coupling of the laser mode to the metal grating was also realized. Finally, single-mode lasers in the wavelength range from 5.9 to over 6 μm were realized using the double ridge fabrication technique. These lasers were operated in continuous wave mode at a maximum operation temperature of -2 °C. Overall, the devices developed within this work and their characteristics show, that the requirements for TLAS applications are met. However, only a part of the possibilities of the interband cascade technology could be addressed, since the discussed application areas are focused on laser-based light sources. In summary, interband cascade technology has established itself. In particular, the performance data at 2.9 μm, 3.4 μm and 4.0 μm in continuous wave operation at room temperature show that the ICL technology is almost unrivaled in terms of low current/power consumption. Certainly, the areas of application will be even more diverse in the future. Further progress in terms of higher emission wavelengths, higher operation temperatures, and broadband wavelength emission can be expected. Other concepts such as frequency combs [BFS+18, SWP+17] or terahertz [VM99] emission can also be realized. This development does not only concern the light sources, also interband cascade detectors or solar cells [YTK+10, HTR+13, TK15, HLL+18, LLL+17a, LLL+17b] have already been realized and are being further developed.

In this work, a bridge was built between the so-far separate fields of spin defects and 2D systems: for the first time, an optically addressable spin defect (VB-) in a van der Waals material (hexagonal boron nitride) was identified and exploited. The results of this thesis are divided into three topics as follows: 1.) Identification of VB-: In the scope of this chapter, the defect ,the negatively charged boron vacancy VB-, is identified and characterized. An initialization and readout of the spin state can be demonstrated optically at room temperature and its spin Hamiltonian contributions can be quantified. 2.) Coherent Control of VB-: A coherent control is required for the defect to be utilized for quantum applications, which / Im Rahmen dieser Arbeit konnte zum allerersten Mal ein optisch addressierbarer Spin Defekt in einem Van-der-Waals Material (hexagonales Bornitrid) nachgewiesen wer- den. Hervorzuheben ist hierbei der 2D Charakter des Materials hBN, welches als das Standardmaterial zur Verkapselung anderer 2D Materialien verwendet wird und somit unterschiedlichste Anwendungen des neu entdeckten Spindefektes denkbar macht. ...

The noninvasive magnetic resonance imaging technique allows for the investigation of functional processes in the living plant. For this purpose during this work, different NMR imaging methods were further developed and applied. For the localisation of the intrusion of water into the germinating rape seed with the simultaneous depiction of the lipid-rich tissue via a 3D rendering, in Chap. 5 the technique of interleaved chemical selective acquisition of water and lipid was used in the germinating seed. The utilization of high-resolution MR images of germinated seeds enabled the localization of a predetermined water gap in the lipid-rich aleurone layer, which resides directly under the seed coat. The for a long time in biology prevalent discussion, whether such a gap exists or the seed soaks up the water from all sides, rather like a sponge, could hereby, at least for the rapeseed seed, be answered clearly. Furthermore, the segmentation and 3D visualization of the vascular tissue in the rapeseed seeds was enabled by the high-resolution datasets, a multiply branched structure preconstructed in the seed could be shown. The water is directed by the vascular tissue and thus awakens the seed gradually to life. This re-awakening could as well be tracked by means of invasive imaging via an oxygen sensor. In the re-awakened seeds, the lipid degradation starts, other than expected, not in the lipid-rich cotyledons but in the residual endosperm remaining from seed development and in the aleurone layer which previously protected the embryo. Within this layer, the degradation could be verified in the high-resolution MR datasets. The method presented in Chap. 6 provides a further characteristic trait for phenotyping of seeds and lipid containing plants in general. The visualization of the compounds of fatty acids in plant seeds and fruits could be achieved by the distinct utilization of chemical shift-selective imaging techniques. Via the application of a CSI sequence the fatty acid compounds in an olive were localized in a 2D slice. In conjunction with an individually adjusted CHESS presaturation module Haa85 the high-resolution 3D visualization of saturated and unsaturated fatty acid compounds in different seeds was achieved. The ratio maps calculated from these datasets allow to draw conclusions from the developmental stage or the type of seed. Furthermore, it could be shown that the storage condition of two soybean seeds with different storage time durations lead to no degradation of the fatty acid content. Additional structural information from inside of dry seeds are now accessible via MRI. In this work the imaging of cereal seeds could be significantly improved by the application of the UTE sequence. The hitherto existing depictions of the lipid distribution, acquired with the spin echo sequence, were always sufficient for examinations of the lipid content, yet defects in the starchy endosperm or differences in the starch concentration within the seed remained constantly unseen with this technique. In a direct comparison of the datasets acquired with the previous imaging technique (spin echo) and with UTE imaging, the advantage of data acquisition with UTE could be shown. By investigating the potential seed compounds (starch, proteins, sugar) in pure form, the constituent parts contributing to the signal could be identified as bound water (residual moisture) and starch. The application of a bi-exponential fit on the datasets of the barley seed enabled the separate mapping of magnetization and of relaxation time of two components contributing to the NMR signal. The direct comparison with histological stainings verified the previous results, thus this technique can be used for the selective imaging of starch in dry seeds. Conclusions on the translocation characteristics in plants can be drawn by the technique proposed in Chap. 8. The associated translocation velocities can now, even in the range of several um/h, be determined in the living plant. Based on calculated concentrations of an MR contrast agent, which was taken up by the plant, these translocation velocities were estimated both in longitudinal direction, thus along the vascular bundle, and in horizontal direction, thus out of the bundle. The latter velocity is located below the contrast agent's velocity value of free diffusion. By adjusting a dynamic contrast-enhancing imaging technique (DCE-Imaging, Tof91) the acquisition duration of a T1-map was significantly reduced. By means of these maps, local concentrations of the contrast agent in plant stems and the siliques of the rapeseed plant could be determined. Numerous questions in plant science can only be answered by non-invasive techniques such as MRI. For this reason, besides the experimental results achieved in this work, further NMR methods were tested and provided for the investigation of plants. As an example, the study on the imaging of magnetic exchange processes are mentioned, which provided the groundwork for a possible transfer of CEST experiments (Chemical Exchange Saturation Transfer) to the plant. The results are presented in the bachelor thesis of A. Jäger Jae17, which was performed under my supervision, they find great interest under biologists. The development of new technologies, which extend the possibilities for the investigation of living organisms, is of great importance. For this reason, I have contributed to the development of the currently unpublished method RACETE (Refocused Acquisition of Chemical Exchange Transferred Excitations [Jak17, Reu17, Gut18a]). By rephasing the transferred magnetization the utilization of properties which have not been available in chemical "`exchange"' experiments is enabled. With this method a positive contrast is generated, thus a reference experiment is not mandatory. Furthermore, the image phase, which in classical experiments contains no information about the exchanged protons, can be used for the distinct identification of multiple substances which have been excited simultaneously. This recently at the Department of Experimental Physics V developed method can be used in particular for the identification of lipids and for the localization of sugars and amino acids, thus it can serve the enhancement and improvement of non-invasive analytical methods. / Die nicht-invasive Bildgebungstechnik der Magnetresonanz ermöglicht es, funktionelle Prozesse in Pflanzen am lebenden Objekt zu untersuchen. Hierfür wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene NMR-Bildgebungsmethoden weiterentwickelt und angewendet. Da Pflanzen ein magnetisch sehr inhomogenes Gewebe besitzen, bedingt durch Lufteinschlüsse und das Vorhandensein verschiedenster gelöster Stoffe im Pflanzengewebe, wurden daher hauptsächlich Spin-Echo-Methoden für die Bildgebung verwendet. Um das erste Eindringen des Wassers in den keimenden Raps-Samen bei gleichzeitiger Darstellung des lipid-reichen Gewebes mittels einer 3D-Visualisierung zu lokalisieren, wurde in Kapitel 5 die Technik der verschachtelten, chemisch selektiven Aufnahme von Wasser und Lipid im keimenden Samen verwendet. Durch Verwendung von hochausgelösten MR-Aufnahmen an gekeimten Samen konnte weiterhin in der lipid-reichen Aleuron-Schicht, die sich direkt unter der Samenschale befindet, ein gezielt angelegter Einlass für das Wasser verortet werden. Die in der Biologie lange Zeit verbreitete Diskussion, ob es einen solchen Einlass gibt oder der keimende Samen das Wasser eher wie ein Schwamm von allen Seiten aufsaugt, konnte hierdurch, zumindest für den Raps-Samen, eindeutig beantwortet werden. Weiterhin konnte durch die hoch-aufgelösten Aufnahmen das vaskuläre Gewebe in den Raps-Samen segmentiert und in 3D veranschaulicht werden, es zeigte sich eine mehrfach verzweigte Struktur, die bereits im Samen angelegt ist. Das Wasser folgt hierbei dem vaskulären Gewebe und erweckt hierdurch den Samen schrittweise zum Leben. Dieses Wieder-Erwachen konnte ebenfalls durch die invasive Bildgebung mittels eines Sauerstoff-Sensors nachverfolgt werden. Im nun erwachten Samen selbst beginnt der Lipid-Abbau, anders als zunächst angenommen, nicht in den lipid-haltigen Kotyledonen sondern im von der Samen-Entwicklung verbliebenden Endosperm und in der den Keimling vormals schützenden Aleuron-Schicht. In dieser konnte der Abbau an gekeimten Samen durch hochaufgelöste MR-Aufnahmen nachgewiesen werden. Die in Kapitel 6 vorgeschlagene Methode liefert ein weiteres Merkmal zur Phenotypisiserung von Samen und lipidhaltigen Pflanzenbestandteilen im Allgemeinen. Die Darstellung der Bestandteile ungesättigter Fettsäuren in Pflanzensamen und -Früchten konnte durch gezielte Verwendung von chemisch selektiven Bildgebungstechniken erreicht werden. Durch die Anwendung einer CSI-Sequenz konnten die Fettsäurebestandteile in Oliven in einer 2D-Schicht lokalisiert werden. In Verbindung mit einem jeweils angepassten CHESS-Vorsättigungsmodul Haa85 wurde die hochaufgelöste 3D-Darstellung von gesättigten und ungesättigten Fettsäurebestandteilen in unterschiedlichen Samen erreicht. Rückschlüsse über das Entwicklungsstadium sowie die Sorte der verwendeten Samen können aus den Verhältnis-Karten, die aus den jeweiligen Datensätzen berechnet wurden, gezogen werden. Dass in diesem Fall die Aufbewahrungsmethode zu keiner Degradation der Fettsäurezusammensetzung geführt hat, konnte weiterhin am Beispiel von zwei Sojasamen mit unterschiedlicher Lagerdauer gezeigt werden. Zusätzliche strukturelle Informationen aus dem Inneren trockener Samen sind nun mittels MRT zugänglich. In dieser Arbeit konnte durch die UTE-Sequenz die Bildgebung von Getreidesamen deutlich vorangebracht werden. Die bisherigen Darstellungen der Lipid-Verteilung, aufgenommen mit einer Spin-Echo Sequenz, waren zwar für die Betrachtung des Lipid-Gehalts stets ausreichend, Defekte im stärkehaltigen Endosperm oder Unterschiede in der Stärke-Konzentration innerhalb des Samen blieben mit dieser Technik jedoch stets verborgen. Im direkten Vergleich der mit der bisherigen Technik (Spin-Echo) und der UTE-Bildgebung aufgenommenen Datensätze konnte der Vorteil der Datenaufnahme mit UTE gezeigt werden. Durch die Untersuchung der möglichen Samenbestandteile (Stärke, Proteine, Zucker) in Reinform konnten die zum Signal beitragen Bestandteile als gebundenes Wasser (Restfeuchte) und Stärke identifiziert werden. Die Verwendung bi-exponentiellen Fits and die Messdaten ermöglichte es im Gersten-Samen, zwei zum Signal beitragende Komponenten in getrennten Karten bezüglich ihrer Magnetisierung und Relaxationszeit zu trennen. Der Vergleich mit histologischen Färbungen bestätigte die bisherigen Ergebnisse, somit kann diese Technik zur selektiven Darstellung von Stärke in trockenen Samen verwendet werden. Rückschlüsse auf das Transportverhalten in Pflanzen können durch die in Kapitel 8 vorgestellte Technik gezogen werden. Die zugehörigen Transportgeschwindigkeiten im lebenden Pflanzenobjekt können nun, selbst im Bereich von wenigen $\mu$m/h, bestimmt werden. Diese wurden anhand von berechneten Konzentrationen eines von der Pflanze aufgenommenen MR-Kontrastmittels sowohl in longitudinaler Richtung, also entlang des Leitgewebebündels, als auch in horizontaler Richtung, also aus dem Leitbündel heraus, abgeschätzt werden; Letztere Geschwindigkeit liegt deutlich unter dem Wert der freien Diffusionsgeschwindigkeit des Kontrastmittels. Hierfür wurden durch Anpassung einer dynamischen Kontrast-erhöhenden Bildgebungstechnik (DCE-Imaging, Tof91) die Aufnahmedauer einer für die weiteren Berechnungen benötigen T1-Karte deutlich reduziert. Mittels dieser Karten konnten die lokalen Konzentrationen des Kontrastmittels in Pflanzenstängeln und Schoten der Rapspflanze bestimmt werden. Zahlreiche Fragen in der Pflanzenforschung können nur durch nicht-invasive Techniken wie MRT beantwortet werden. Deswegen wurden, neben den experimentellen Ergebnissen, die mittels dieser Arbeit erreicht wurden, auch weitere NMR Methoden für die Untersuchung von Pflanzen getestet und zur Verfügung gestellt. Als Beispiel seien hier die Untersuchungen zur Bildgebung von magnetischen Austauschprozessen genannt, welche eine Vorarbeit zur möglichen Übertragung con CEST-Experimenten (Chemical Exchange Saturation Transfer) auf das Modell Pflanze liefern. Die Ergebnisse sind in der Bachelor-Arbeit von A. Jäger \cite{jaeger17}, an deren Durchführung ich als Betreuer maßgeblich beteiligt war, dargestellt und finden großes Interesse bei Biologen. Von besonderer Wichtigkeit sind auch die Entwicklungen neuer Technologien, die die Möglichkeiten zur Untersuchung von lebenden Organismen erweitern können. Deswegen habe ich zu der Entwicklung der bislang unveröffentlichten Methode RACETE (Refocused Acquisition of Chemical Exchange Transferred Excitations [Jak17, Reu17, Gut18a]) beigetragen. Durch das Rephasieren der transferierten Magnetisierung können Eigenschaften, die bislang in chemischen "`Austausch"'-Experimenten nicht zur Verfügung stehen, ausgenutzt werden. Mit dieser Methode wird ein positiver Kontrast erzeugt, sie ist deshalb nicht zwingend auf ein Referenz-Experiment angewiesen. Weiterhin kann die Bildphase, welche in klassichen CEST-Experimenten keine Information über die ausgetauschten Protonen enthält, zur eindeutigen Identifizierung mehrerer parallel angeregter Substanzen verwendet werden.

Spin- and angle-resolved photoelectron spectroscopy is the prime method to investigate spin polarized electronic states at solid state surfaces. In how far the spin polarization of an emitted photoelectron reflects the intrinsic spin character of an electronic state is the main question in the work at hand. It turns out that the measured spin polarization is strongly influenced by experimental conditions, namely by the polarization of the incoming radiation and the excitation energy. The photoemission process thus plays a non-negligible role in a spin-sensitive measurement. This work is dedicated to unravel the relation between the result of a spin-resolved measurement and the spin character in the ground state and, therefore, to gain a deep understanding of the spin-dependent photoemission process. Materials that exhibit significant spin-splittings in their electronic structure, owing to a strong spin-orbit coupling, serve as model systems for the investigations in this work. Therefore, systems with large Rashba-type spin-splittings as BiTeI(0001) and the surface alloys BiAg2/Ag(111) and PbAg2/Ag(111) are investigated. Likewise, the surface electronic structure of the topological insulators Bi2Te2Se(0001) and Bi2Te3(0001) are analyzed. Light polarization dependent photoemission experiments serve as a probe of the orbital composition of electronic states. The knowledge of the orbital structure helps to disentangle the spin-orbital texture inherent to the different surface states, when in addition the spin-polarization is probed. It turns out that the topological surface state of Bi2Te2Se(0001) as well as the Rashba-type surface state of BiTeI(0001) exhibit chiral spin-textures associated with the p-like in-plane orbitals. In particular, opposite chiralities are coupled to either tangentially or radially aligned p-like orbitals, respectively. The results presented here are thus evidence that a coupling between spin- and orbital part of the wave function occurs under the influence of spin-orbit coupling, independent of the materials topology. Systematic photon energy dependent measurements of the out-of-plane spin polarization of the topological surface state of Bi2Te3(0001) reveal a strong dependence and even a reversal of the sign of the photoelectron spin polarization with photon energy. Similarly, the measured spin component perpendicular to the wave vector of the surface state of BiAg2/Ag(111) shows strong modulations and sign reversals when the photon energy is changed. In BiAg2/Ag(111) the variations in the photoelectron spin polarization are accompanied by significant changes and even a complete suppression of the photoemission intensity from the surface state, indicating that the variations of the spin polarization are strongly related to the photoemission cross section. This relation is finally analyzed in detail by employing a simple model, which is based on an evaluation of the transition matrix elements that describe the presented experiments. The model shows that the underlying cause for the observed photoelectron spin reversals can be found in the coupling of the spin structure to the spatial part of the initial state wave function, revealing the crucial role of spin-orbit interaction in the initial state wave function. The model is supported by ab initio photoemission calculations, which show strong agreement with the experimental results. / Spin- und winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie bietet einen Einblick in die elektronische Struktur spinpolarisierter Zustände an Festkörperoberflächen. In- wieweit eine Messung der Spinpolarisation emittierter Photoelektronen den tatsäch- lichen intrinsischen Spincharakter eines elektronischen Zustandes wiedergibt, ist die zentrale Fragestellung der vorliegenden Arbeit. Dabei zeigt sich, dass die gemessene Spinpolarisation stark von den experimentellen Gegebenheiten wie etwa der Pola- risation des einfallenden Lichtes oder der Photonenenergie abhängt und der Photo- emissionsprozess eine somit nicht zu vernachlässigende Rolle für das Messergebnis spielt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Zusammenhang zwischen dem Ergebnis einer spinsensitiven Messung und dem Spincharakter des Grundzustandes zu entschlüsseln und dabei ein tieferes Verständnis der Spinpolarisation im Photoemissionsprozess zu gewinnen. Als Modellsysteme dienen dabei Materialien, die aufgrund einer starken Spin- Bahn-Kopplung spinaufgespaltene Zustände aufweisen. Daher wird zum einen der Spin-und Orbitalcharakter der elektronischen Struktur von Modellsystemen mit Rashba-artigen Oberflächenzuständen untersucht, wie sie etwa BiTeI(0001) oder die Oberflächenlegierungen BiAg2/Ag(111) und PbAg2/Ag(111) aufweisen. Zum anderen wird die Oberflächenbandstruktur der topologischen Isolatoren Bi2Te2Se(0001) und Bi2Te3(0001) genauer analysiert. Mithilfe der winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie mit unterschiedlicher Lichtpolarisation wird die orbitale Struktur der untersuchten elektronischen Zustände entschlüsselt. Im folgenden Schritt wird das Wissen um den orbitalen Charakter der Wellenfunktion genutzt, um durch zusätzliche Detektion des Photoelektronenspins einen Einblick in die gekoppelte Spin- und Orbitalstruktur zu gewinnen. Hierbei zeigt sich, dass sowohl der topologische Oberflächenzustand von Bi2Te2Se(0001) als auch der Rashba-artige Oberflächenzustand von BiTeI(0001) chirale Spinstrukturen aufweist, die an die in der Oberflächenebene orientierten p-artigen Orbitale gekoppelt sind. Für Orbitale, die tangential an den Oberflächenzustand angeordnet sind, und solche, die radial angeordnet sind, findet sich dabei eine entgegengesetzte Chiralität. Die Resultate dieser Arbeit dienen somit als Nachweis, dass die Kopplung zwischen Spin und Orbital unter dem Einfluss starker Spin-Bahn-Kopplung bei topologischen wie nicht-topologischen Zuständen in ähnlicher Form auftritt. Systematische photonenenergieabhängige Messungen der Spinpolarisation paral- lel zur Oberflächennormalen im topologischen Oberflächenzustand von Bi2Te3(0001) weisen eine starke Photonenenergieabhängigkeit und sogar Vorzeichenwechsel in der Photoelektronenspinpolarisation auf. In ähnlicher Weise zeigt auch die am Rashba- artigen Zustand von BiAg2/Ag(111) gemessene Spinpolarisation starke Änderun- gen bis hin zu einer Umkehr der Spinpolarisation mit der Photonenenergie. In BiAg2/Ag(111) gehen die Veränderungen der gemessenen Spinpolarisation mit deut- lichen Modulationen der Photoemissionsintensität einher. Dies impliziert einen mö- glichen Zusammenhang zwischen den Veränderungen des Photoelektronenspins und dem Wirkungsquerschnitt des Photoemissionsprozesses. Ein solcher Zusammenhang wird zuletzt im Rahmen eines einfachen Modells genauer untersucht. Dieses basiert auf den Übergangsmatrixelementen, die die vorgestellten Photoemissionsexperimente beschreiben, und ermöglicht es, die beobach- teten Veränderungen des Photoelektronenspins auf die Kopplung des Spins an die Realraumwellenfunktion des Ausgangszustands zurückzuführen. Das Modell wird durch ab initio-Photoemissionsrechnungen unterstützt, die eine hohe Übereinstim- mung mit den gemessenen Daten aufweisen.

Ziel dieser Arbeit war es, neue quantitative Messmethoden am Kleintier, insbesondere die Perfusionsmessung am Mäuseherz, zu etablieren. Hierfür wurde eine retrospektiv getriggerte T1-Messmethode entwickelt. Da bei retrospektiven Methoden keine vollständige Abtastung garantiert werden kann, wurde ein Verfahren gefunden, das mit Hilfe von Vorwissen über das gemessene Modell sehr effizient die fehlenden Daten interpolieren kann. Mit Hilfe dieser Technik werden dynamische T1-Messungen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung möglich. Dank der hohen Genauigkeit der T1-Messmethode lässt sich diese für die nichtinvasive Perfusionsmessung am Mäuseherz mittels der FAIR-ASL-Technik nutzen. Da auf Grund der retrospektiven Triggerung Daten an allen Positionen im Herzzyklus akquiriert werden, konnten T1- und Perfusionskarten nach der Messung zu beliebigen Punkten im Herzzyklus rekonstruiert werden. Es bietet sich an, Techniken, die für die myokardiale Perfusion angewandt werden, auch für die Nierenperfusionsmessung zu verwenden, da die Niere in ihrer Rinde (Cortex) eine ähnlich hohe Perfusion aufweist wie das Myokard. Gleichzeitig führen Nierenerkrankungen oftmals zu schlechter Kontrastmittelverträglichkeit, da diese bei Niereninsuffizienz u.U. zu lange im Körper verweilen und die Niere weiter schädigen. Auch deshalb sind die kontrastmittelfreien Spin-Labeling-Methoden hier interessant. Die FAIR-ASL-Technik ist jedoch an Mäusen in koronaler Ansicht für die Niere schlecht geeignet auf Grund des geringen Unterschieds zwischen dem markierten und dem Vergleichsexperiment. Als Lösung für dieses Problem wurde vorgeschlagen, die Markierungsschicht senkrecht zur Messschicht zu orientieren. Hiermit konnte die Sensitivität gesteigert und gleichzeitig die Variabilität der Methode deutlich verringert werden. Mit Hilfe von kontrastmittelgestützten Messungen konnten auch das regionale Blutvolumen und das Extrazellularvolumen bestimmt werden. In den letzten Jahren hat das Interesse an Extrazellularvolumenmessungen zugenommen, da das Extrazellularvolumen stellvertretend für diffuse Fibrose gemessen werden kann, die bis dahin nichtinvasiven Methoden nicht zugänglich war. Die bisher in der Literatur verwendeten Quantifizierungsmethoden missachten den Einfluss, den das Hämatokrit auf den ECV-Wert hat. Es wurde eine neue Korrektur vorgeschlagen, die allerdings zusätzlich zur ECV-Messung auch eine RBV-Messung benötigt. Durch gleichzeitige Messung beider Volumenanteile konnte auch erstmals das Extrazellulare-Extravaskuläre-Volumen bestimmt werden. Eine gänzlich andere kontrastmittelbasierte Methode in der MRT ist die Messung des chemischen Austauschs. Hierbei wirkt das Kontrastmittel nicht direkt beschleunigend auf die Relaxation, sondern der Effekt des Kontrastmittels wird gezielt durch HF-Pulse an- und ausgeschaltet. Durch den chemischen Austausch kann die Auswirkung der HF-Pulse akkumuliert werden. Bislang wurde bei solchen Messungen ein negativer Kontrast erzeugt, der ohne zusätzliche Vergleichsmessungen schwer detektierbar war. Im letzten Teil dieser Arbeit konnte eine neue Methode zur Messung des chemischen Austauschs gezeigt werden, die entgegen der aus der Literatur bekannten Methoden nicht Sättigung, sondern Anregung überträgt. Diese Änderung erlaubt es, einen echten positiven chemischen Austausch-Kontrast zu erzeugen, der nicht zwingend ein Vergleichsbild benötigt. Gleichzeitig ermöglicht die Technik, dadurch dass Anregung übertragen wird, die Phase der Anregung zu kontrollieren und nutzen. Eine mögliche Anwendung ist die Unterscheidung verschiedener Substanzen in einer Messung. In der Summe wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene robuste Methoden eta- bliert, die die Möglichkeiten der quantitativen physiologischen MRT erweitern. / The objective of this dissertation was to develop new methods for physiological magnetic resonance imaging. A new retrospectively triggered T1-method was developed. Due to the retrospectivity, full sampling of k-space can not be warranted. Therefore a model- based interpolation method was developed to reconstruct missing data efficiently. Using this technique, dynamic T1-measurements with high temporal and spatial resolution could be acquired. Due to the high precision of the developed T1-method, perfusion could be quantified using Arterial Spin Labeling. In comparison to the method established previously in our laboratory, the resolution could be doubled. Retrospective triggering enables reconstruc- tion of parameter maps on arbitrary positions in the heart cycle, as data are acquired continuously over several heart cycles. The perfusion measurement benefits from recon- struction on the end systole, as partial volume effects are decreased, due to the increased myocardial wall thickness. This serves as an effective increase in resolution. Furthermore, the data distributed over the whole heart cycle could be used to accelerate and stabilize the measurement. Cardiac and renal diseases can be directly related, as deficiency in one of the organs affects the other one. Additionally several diseases like hypertension or diabetes affect both organs. Moreover, kidneys are highly perfused, similar to the myocardium. Renal insufficiency can also lead to contrast agent intolerance, as clearance rates can be redu- ced. Therefore the FAIR-ASL technique lends itself to kidney perfusion measurements. It can, however, be problematic in small animals in coronal view, as the control-experiment inadvertently labels much of the same tissue and blood, as the labeling experiment. A modified FAIR-ASL measurement could be shown to increase sensitivity and reduce in- ter-measurement-variability by repositioning the inversion slice of the control experiment orthogonally to the measurement slice. The T1-method was used in combination with contrast agent based measurements to quantify the regional blood volume and the extracellular volume fraction. There has been an increased interest in extracellular volume fraction measurements as the extracel- lular volume is used as a proxy for the detection of diffuse fibrosis, which has previously been inaccessible to non-invasive methods. Several correction factors are used in volume fraction quantification, but the influence of hematocrit in ECV measurements has been neglected so far. In mice and rats, the regional blood volume is a major constituent of the ECV, leading to a significant influence of hematocrit. A new correction is proposed to account for the volume fraction taken up by hematocrit. For this ECV hematocrit correction, the RBV has to be measured as well. Using both measurements, the ex- tracellular volume fraction can be corrected and the extracellular-extravascular-volume- fraction quantified. A fundamentally different contrast-mechanism can be utilized using the measurement of chemical exchange. Instead of shortening relaxation times, the contrast provided by chemical exchange agents can be turned on and off using frequency selective rf-pulses. Due to the chemical exchange the effect of these pulses can be accumulated. Measure- ments exploiting this accumulation effect in general produce a negative contrast requiring a control-experiment for further evaluation. In the last part of this dissertation, a new technique transferring excitation instead of saturation could be demonstrated. By ge- nerating a real positive contrast, no control experiment is required. Other properties unavailable to previously published chemical exchange transfer methods can be exploi- ted. One example demonstrated in this dissertation is the separation of simultaneously excited compounds by their respective phase information imprinted by the excitation pulses. In summary, several robust methods could be implemented to further the capabilities of quantitative physiological MRI.

Aufgrund der hohen Sensitivität bei der Absorptionsmessung von Gasen im Spektral- bereich des mittleren Infrarot steigt die Nachfrage nach monolithischen, kompakten und energieeffizienten Laserquellen in Wellenlängenfenster zwischen 3 und 6 μm ste- tig. In diesem Bereich liegen zahlreiche Absorptionsbanden von Gasen, welche sowohl in der Industrie als auch in der Medizintechnik von Relevanz sind. Mittels herkömm- licher Diodenlaser konnte dieser Bereich bisher nur unzureichend abgedeckt werden, während Quantenkaskadenlaser infolge ihrer hohen Schwellenleistungen vor allem für portable Anwendungen nur bedingt geeignet sind. Interbandkaskadenlaser kom- binieren die Vorteile des Interbandübergangs von konventionellen Diodenlasern mit der Möglichkeit zur Kaskadierung der Quantenkaskadenlaser und können einen sehr breiten Spektralbereich abdecken. Das übergeordnete Ziel der Arbeit war die Optimierung von molekularstrahlepitak- tisch hergestellten Interbandkaskadenlasern auf GaSb - Basis im Spektralbereich des mittleren Infrarot für den Einsatz in der Gassensorik. Dies impliziert die Ermögli- chung von Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur, das Erreichen möglichst geringer Schwellenleistungen sowie die Entwicklung eines flexiblen Konzepts zur Selektion von nur einer longitudinalen Mode. Da die Qualität der gewachsenen Schichten die Grundvoraussetzung für die Herstel- lung von performanten Bauteilen darstellt, wurde diese im Rahmen verschiedener Wachstumsserien eingehend untersucht. Nachdem das Flussverhältnis zwischen den Gruppe -V Elementen Sb und As ermittelt werden konnte, bei dem die InAs/AlSb - Übergitter der Mantelschichten verspannungskompensiert hergestellt werden können, wurde die optimale Substrattemperatur beim Wachstum dieser zu 450 ◦C bestimmt. Anhand von PL - sowie HRXRD- Messungen an Testproben konnte auch die opti- male Substrattemperatur beim Wachstum der charakteristischen W- Quantenfilme zu 450 ◦C festgelegt werden. Als weiterer kritischer Parameter konnte der As - Fluss beim Wachstum der darin enthaltenen InAs - Schichten identifiziert werden. Die bes- ten Ergebnisse wurden dabei mit einem As - Fluss von (1.2 ± 0.2) × 10−6 torr erzielt. Darüber hinaus konnte in Kooperation mit der Technischen Universität Breslau eine sehr hohe guteWachstumshomogenität auf den verwendeten 2′′ großen GaSb -Wafern nachgewiesen werden. Im Anschluss an die Optimierung des Wachstums verschiedener funktioneller Be- standteile wurden basierend auf einem in der Literatur veröffentlichten Laserschicht- aufbau diverse Variationen mit dem Ziel der Optimierung der Laserkenndaten unter- sucht. Zum Vergleich wurden 2.0 mm lange und 150 μm breite, durch die aktive Zone geätzte Breitstreifenlaser herangezogen. Eine erhebliche Verbesserung der Kenndaten konnte durch die Anwendung des Kon- zepts des Ladungsträgerausgleichs in der aktiven Zone erreicht werden. Bei einer Si - Dotierkonzentration von 5.0 × 1018 cm−3 in den inneren vier InAs - Filmen des Elektroneninjektors konnte die niedrigste Schwellenleistungsdichte von 491W/cm2 erreicht werden, was einer Verbesserung von 59% gegenüber des Referenzlasers ent- spricht. Mithilfe längenabhängiger Messungen konnte gezeigt werden, dass der Grund für die Verbesserung in der deutlichen Reduzierung der internen Verluste auf nur 11.3 cm−1 liegt. Weiterhin wurde die Abhängigkeit der Laserkenngrößen von der Anzahl der verwendeten Kaskaden in den Grenzen von 1 bis 12 untersucht. Wie das Konzept der Kaskadierung von Quantenfilmen erwarten ließ, wurde eine mo- notone Steigerung des Anstiegs der Strom - Lichtleistungskennlinie sowie eine Pro- portionalität zwischen der Einsatzspannung und der Kaskadenzahl nachgewiesen. Für ICLs mit einer gegebenen Wellenleiterkonfiguration und einer Wellenlänge um 3.6 μm wurde bei einer Temperatur von 20 ◦C mit 326W/cm2 die niedrigste Schwel- lenleistungsdichte bei einem ICL mit vier Kaskaden erreicht. Des Weiteren konnte für einen ICL mit 10 Kaskaden und einer Schwellenstromdichte von unter 100A/cm2 ein Bestwert für Halbleiterlaser in diesem Wellenlängenbereich aufgestellt werden. Eine weitere Reduktion der Schwellenleistungsdichte um 24% konnte anhand von Lasern mit fünf Kaskaden durch die Reduktion der Te - Dotierung von 3 × 1017 cm−3 auf 4 × 1016 cm−3 im inneren Teil der SCLs erreicht werden. Auch hier wurde mit- tels längenabhängiger Messungen eine deutliche Reduktion der internen Verluste nachgewiesen. In einer weiteren Untersuchung wurde der Einfluss der SCL - Dicke auf die spektralen sowie elektro - optischen Eigenschaften untersucht. Darüber hin- aus konnten ICLs realisiert werden, deren Mantelschichten nicht aus kurzperiodigen InAs/AlSb - Übergittern sondern aus quaternärem Al0.85Ga0.15As0.07Sb0.93 bestehen. Für einen derartig hergestellten ICL konnte eine Schwellenstromdichte von 220A/cm2 bei einer Wellenlänge von 3.4 μm gezeigt werden. Mithilfe der durch die verschiedenen Optimierungen gewonnenen Erkenntnisse so- wie Entwurfskriterien aus der Literatur wurden im Rahmen diverser internationaler Kooperationsprojekte ICLs bei verschiedenen Wellenlängen zwischen 2.8 und 5.7 μm hergestellt. Der Vergleich der Kenndaten zeigt einen eindeutigen Trend zu einer stei- genden Schwellenstromdichte mit steigender Wellenlänge. Die charakteristische Tem- peratur der untersuchten Breitstreifenlaser nimmt von circa 65K bei lambda=3.0 μm mit steigender Wellenlänge auf ein Minimum von 35K im Wellenlängenbereich um 4.5 μm ab und steigt mit weiter steigender Wellenlänge wieder auf 45K an. Ein möglicher Grund für dieses Verhalten konnte mithilfe von Simulationen in der Anordnung der Valenzbänder im W-Quantenfilm gefunden werden. Zur Untersuchung der Tauglichkeit der epitaktisch hergestellten Schichten für den in der Anwendung hilfreichen Dauerstrichbetrieb oberhalb von Raumtemperatur wur- den Laser in Stegwellenleitergeometrie mit einer aufgalvanisierten Goldschicht zur verbesserten Wärmeabfuhr hergestellt. Nach dem Aufbau der Laser auf Wärmesen- ken wurde der Einfluss der Kavitätslänge sowie der Stegbreite auf diverse Kennda- ten untersucht. Des Weiteren wurden eine Gleichung verifiziert, welche es erlaubt die maximal erreichbare Betriebstemperatur im Dauerstrichbetrieb aus der auf die Schwellenleistung bezogenen charakteristischen Temperatur sowie dem thermischen Widerstand des Bauteils zu berechnen. Mithilfe von optimierten Bauteilen konn- ten Betriebstemperaturen von mehr als 90 ◦C und Ausgangsleistungen von mehr als 100mW bei einer Betriebstemperatur von 20 ◦C erreicht werden. Im Hinblick auf die Anwendung der Laser in der Absorptionsspektroskopie wurde ab- schließend ein DFB-Konzept, welches zuvor bereits in konventionellen Diodenlasern zur Anwendung kam, erfolgreich auf das ICL - Material übertragen. Dabei kommt ein periodisches Metallgitter zum Einsatz, welches seitlich der geätzten Stege aufge- bracht wird und aufgrund von Verlustkopplung eine longitudinale Mode bevorzugt. Durch den Einsatz von unterschiedlichen Gitterperioden konnten monomodige ICLs basierend auf dem selben Epitaxiematerial in einem spektralen Bereich von mehr als 100nm hergestellt werden. Ein 2.4mm langer DFB- Laser konnte einen Abstimmbe- reich von mehr als 10nm bei Verschiebungsraten von 0.310nm/K und 0.065nm/mA abdecken. Der DFB- ICL zeigte im Dauerstrichbetrieb in einem Temperaturbereich zwischen 10 und 35 ◦C monomodigen Betrieb mit einer Ausgangsleistung von mehre- ren mW. Basierend auf dem in dieser Arbeit gewachsenem Material und dem DFB- Konzept konnte im Rahmen verschiedener Entwicklungsprojekte bereits erfolgreich Absorptionsspektroskopie in einem breiten Spektralbereich des mittleren Infrarot be- trieben werden. / Due to the high sensitivity regarding absorption spectroscopy in the mid infrared spectral range the demand for monolithic, compact and energy efficient laser sourcesin the wavelength window between 3 and 6 μm is steadily increasing. Numerous absorption bands of gases relevant in industrial and medical applications are situated in this window. Utilizing conventional diode lasers this range could not be sufficiently covered, whereas quantum cascade lasers are of limited suitability for portable applications due to their high threshold power. Interband cascade lasers combine the advantage of interband transitions with the possibility of cascading from quantum cascade lasers and can cover a very wide spectral range. The main objective of this work was the optimization of molecular epitaxially grown mid infrared interband cascade lasers based on GaSb substrates for their utilization in gas sensing. This implies the realization of continuous wave operation at room temperature, to achieve as low threshold powers as possible and also the development of a flexible concept that realizes the selection of a single longitudinal mode. Since the quality of epitaxially grown layers is of high importance for the fabrication of high performance devices it was investigated and optimized in various growth series. After the flux ratio between the group -V elements Sb and As, that enables strain compensation in InAs/AlSb superlattices, was found the optimal substrate temperature during growth of these was determined to 450 °C. Using PL - as well as HRXRD- measurements of test samples the optimal substrate temperature during growth of the characteristic W- quantum wells was also set to 450 ◦C. The As - flux during the growth of the InAs layers inside these wells could be identified as a critical parameter as well. The best results could be achieved at an As - flux of (1.2 ± 0.2) × 10−6 torr. Moreover a very high growth homogeneity on the GaSb wafers of 2′′ size could be verified in cooperation with the Wrocław University of Science and Technology. Subsequently to the growth optimizations of the different functional groups of the laser structure various variations based on a published laser design were investigated in order to optimize the laser characteristics. To compare the results 2.0mm long and 150 μm wide broad area lasers were processed and characterized. A significant improvement of the laser characteristics could be achieved due to the implementation of the carrier rebalancing concept inside the active region. A Si -doping concentration of 5.0 × 1018 cm−3 in the inner four InAs - layers of the electron injector lead to a threshold power density as low as 491 W/cm2. This equals a 59% reduction from the value of the reference structure. By conducting cavity length dependent measurements the reason for this improvement could be found in the reduction of the internal losses to a value of only 11.3 cm−1. Furthermore the dependence of different characteristic variables on the number of cascades inside the active region was investigated within the limits of 1 to 12 cascades. As expected from the concept of cascading a monotonic increase of the slope of the current - output power characteristic with the number of cascades and a proportionality between set in voltage and the number of cascades was found. For ICLs with a given waveguide configuration and a wavelength of 3.6 μm the lowest threshold power density of 326 W/cm2 at a temperature of 20 °C was achieved for a four stage ICL. Beyond that a threshold current density of less than 100 A/cm2 could be found for a device with 10 cascades - a record for semiconductor lasers in this wavelength range. Additionally a reduction of the threshold power density in five stage ICLs of 24% could be achieved with the reduction of the doping density in the inner part of the separate confinement layers from 3 × 1017 cm−3 to 4 × 1016 cm−3. The reason for this was also found in a significant reduction of the internal loss. In a further test series the influence of the separate confinement layer - thickness on the spectral and electro - optic properties was investigated. Additionally ICLs were realized with cladding layers made of quaternary Al0.85Ga0.15As0.07Sb0.93 instead of InAs/AlSb - superlattices. For an ICL of this kind a threshold current density of 220 A/cm2 at a wavelength of 3.4 μm could be reached. Based on the before mentioned improvements and design rules from literature several ICLs in the wavelength window between 2.8 and 5.7 μm were fabricated in the framework of different international projects. Comparing these results a clear trend towards an increase in threshold current density with increasing wavelength was found. The characteristic temperature of the processed broad area lasers decreases from 65 K at λ = 3.0 μm to a minimum of 35K in the wavelength region around 4.5 μm and increases again for ICLs with even longer wavelengths. A possible reason for this was found in the arrangement of the valence bands in the W-quantum well. To investigate the capability of continuous wave operation above room temperature, which brings a clear benefit in applications, ridge waveguide lasers with a thick electroplated gold layer for improved heat dissipation were processed. After mounting the lasers on heat sinks the influence of the device length and width on several characteristics was determined. Furthermore an equation was verified which allows predicting the maximum operation temperature in continuous wave operation from the threshold power based characteristic temperature and the thermal resistance of a laser device. Optimized devices could reach a maximum operation temperature in continuous wave mode of more than 90 ◦C and an output power of more than 100 mW at an operation temperature of 20 ◦C. With regard to the application in absorption spectroscopy a DFB concept, which has already been demonstrated in conventional diode lasers, could be successfully adapted for ICLs. The concept is based on a metal grating that is placed on the side of the laser ridge and favours one longitudinal mode due to loss coupling. By utilizing different grating periods single mode ICLs based on the same epitaxial material could be fabricated in a spectral range of more than 100 nm width. A 2.4 mm long DFB - laser could cover a tuning range of more than 10nm with temperature and current tuning rates of 0.310 nm/K and 0.065 nm/mA respectively. The DFB- ICL device showed single mode operation in a temperature range from 10 to 35 °C with an output power of several mW. Based on the epitaxial material grown in this work and the DFB- concept a variety of absorption spectroscopy experiments in the framework of several projects could be carried out in a wide range of the mid infrared spectral region.

Overview of the Organolead Trihalide Perovskite Crystal Area Studies of perovskite single crystals with high crystallographic quality is an important technological area of the perovskite research, which enables to estimate their full optoelectronic potential, and thus to boost their future applications [26]. It was therefore essential to grow high-quality single crystals with lowest structural as well as chemical defect densities and with a stoichiometry relevant for their thin-film counterparts [26]. Optoelectronic devices, e.g. solar cells, are highly complex systems in which the properties of the active layer (absorber) are strongly influenced by the adjacent layers, so it is not always easy to define the targeted properties and elaborate the design rules for the active layer. Currently, organolead trihalide perovskite (OLTP) single crystals with the structure ABX3 are one of the most studied crystalline systems. These hybrid crystals are solids composed of an organic cation such as methylammonium (A = MA+) or formamidinium (A = FA+) to form a three-dimensional periodic lattice together with the lead cation (B = Pb2+) and a halogen anion such as chloride, bromide or iodide (X = Cl-, Br- or I-) [23]. Among them are methylammonium lead tribromide (MAPbBr3), methylammonium lead triiodide (MAPbI3), as well as methylammonium lead trichloride (MAPbCl3) [62, 63]. Important representatives with the larger cation FA+ are formamidinium lead tribromide (FAPbBr3) and formamidinium lead triiodide (FAPbI3) [23, 64]. Besides the exchange of cations as well as anions, it was possible to grow crystals containing two halogens to obtain mixed crystals with different proportions of chlorine to bromine and bromine to iodine, as it is shown in Figure 70. By varying the mixing ratio of the halogens, it was therefore possible to vary the colour and thus the absorption properties of the crystals [85], as it can be done with thin polycrystalline perovskite films. In addition, since a few years it is also doable to grow complex crystals that contain several cations as well as anions [26, 80, 81]. These include the perovskites double cation – double halide formamidinium lead triiodide – methylammonium lead tribromide (FAPbI3)0.9(MAPbBr3)0.1 (FAMA) [26, 80] and formamidinium lead triiodide – methylammonium lead tribromide – caesium lead tribromide (FAPbI3)0.9(MAPbBr3)0.05(CsPbBr3)0.05 (CsFAMA) [81], which have made a significant contribution to increase the power conversion efficiency (PCE) in thin-film photovoltaics [47, 79, 182]. The growth of crystals to this day is performed exclusively from solution [23, 26, 56, 62]. Important preparation methods are the cooling acid-based precursor solution crystallisation [22], the inverse temperature crystallisation (ITC) [62], and the antisolvent vapour-assistant crystallisation (AVC) [137]. In the cooling crystallisation, the precursor salts AX and PbX2 are dissolved in an aqueous halogen-containing acid at high temperatures [56]. Controlled and slow cooling finally results in a supersaturated precursor solution, which leads to spontaneous nucleation of crystal nuclei, followed by subsequent crystal growth. The ITC method is based on the inverse or retrograde solubility of a dissociated perovskite in an organic solvent [23, 64]. With increasing temperature, the solubility of the perovskite decreases and mm-sized crystals can be grown within a few hours [23]. In the AVC method, the precursors are also dissolved in an organic solvent as well [137]. By slow evaporation of a so-called antisolvent [137], the solubility of the perovskite in the now present solvent mixture decreases and it finally precipitates. In addition, there are many other methods with the goal of growing high quality and large crystals in a short period of time [60, 61, 233, 310]. / Mit der Antisolvent-Kristallisation (AVC) und der inversen Temperaturkristallisation (ITC) konnten alle aus der Dünnschichtanwendungen bekannten Perowskite auf Basis von Methylammonium als mm-große Kristalle gezüchtet werden. Detaillierte qualitative und quantitative Analysen ergaben die gleichen Stöchiometrie der Kristalle wie die ihrer entsprechenden Vorläuferlösung. Wie bereits erwähnt, war es möglich Kristalle mit einer Vielzahl unterschiedlicher Farben und dementsprechend variierenden Bandlücken zu erhalten, die durch selektive Änderung des Halogenverhältnisses als Photodetektoren im UV-VIS/NIR Bereich dienen könnten. Die Variation der Halogene führt jedoch nicht nur zu einer Veränderung der optischen Eigenschaften, sondern auch zu einer Erhöhung der Gitterkonstante mit zunehmendem Brom/Chlor- bzw. Iod/Brom-Verhältnis. Darüber hinaus ändert sich die Gitterstruktur von einem einfachen kubischen Gitter für MAPbCl3 und MAPbBr3 zu einem tetragonal-raumzentrierten Gitter für MAPbI3. Die Zahl der Verfahren zur Züchtung von OLTP-Einkristallen nimmt ständig zu. Die oben genannten Kristallisationsverfahren können kombiniert werden, um qualitativ hochwertige Perowskitkristalle zu züchten. Ein mechanischer Ansatz zur Züchtung komplexer und großformatiger Kristalle ohne Verwendung von Impfkristallen wurde mit der Wiederauffüllbaren-Kristallisationsmethode (RFCM) realisiert, die auf der inversen Löslichkeit von ITC beruht. Durch das Einleiten einer frischen Vorläuferlösung und die gleichzeitige Entfernung der verbrauchten Lösung war es möglich in-situ große Kristalle mit hervorragender struktureller Qualität zu züchten, wie die Röntgenbeugungsmessung (XRD) und die Rocking-Kurve eines FAMA-Einkristalls bestätigen. Die Methode ermöglicht nicht nur die Züchtung komplexer großer FAMA- und CsFAMA-Kristalle, sondern ist auch der etablierten Impfkristalltechnik überlegen, wie die radiographischen Messungen der Kristalloberfläche und des Kristallinneren zeigten. Um die Herausforderung der elektrischen Kontaktierung zu meistern, wurden Leiterplatten entwickelt, die die Kristalle sanft kontaktieren, um so elektronische Messungen zu ermöglichen. Ein wichtiger Beitrag zum Verständnis der inversen Löslichkeit wurde durch die Entwicklung eines neuen Kristallisationsverfahrens geleistet, das als reaktive inverse Temperaturkristallisation (RITC) bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um eine Kombination aus reaktiver und inverser Temperaturkristallisation. Durch Zugabe einer geringen Menge eines primären Alkohols zur Perowskit-Vorläuferlösung konnte die inverse Löslichkeit des Perowskits drastisch reduziert werden. Dies konnte durch die Polaritätswerte der Alkohole bestimmt werden, wobei die Löslichkeit der Lösung mit abnehmender Polarität sank. Durch die geringere Löslichkeit konnten die Kristalle bei viel niedrigeren Temperaturen als mit der ITC-Methode gewachsen werden. Darüber hinaus eignet sich die Methode für die Züchtung aller bekannten bleiorganischen Trihalogenid-Perowskite und ermöglichte die Züchtung von qualitativ hochwertigen Einkristallen, was durch Röntgenmessungen bestätigt wurde. Um Perowskit-Kristalle für photovoltaische Anwendungen zu nutzen, müssen sie wie die entsprechenden polykristallinen Dünnschichten in ihrer Dicke reduziert werden, da mm-dicke Kristalle für diesen Zweck weniger geeignet sind. Bevor jedoch µm-dicke Kristalle gezüchtet wurden, wurden polykristalline MAPbI3-Dünnschichten mit einigen 100 nm auf dem Lochleiter Poly[N,N’-bis(4-butilphenyl) - N,N’-bis(phenyl)-benzidine] (polyTPD) prozessiert, um im Folgenden effiziente Solarzellen herzustellen. Die erzielten Ergebnisse lieferten nicht nur einen weiteren wichtigen Beitrag zur Perowskit-Dünnschichtphotovoltaik, sondern die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichten im Folgenden auch ein besseres Verständnis für die Herstellung von halbleitenden Bauteilen auf Basis von Kristallwafern und Kristall-„Filmen“. Insbesondere die hydrophobe Eigenschaft von Poly(triaryl)aminen erleichterte die Handhabung von MAPbI3-Wafern. Um die Waferdicke zu kontrollieren und Kristalle mit einer hohen Strukturqualität zu züchten, wurde ein selbst gebauter Aufbau verwendet. Ein Kristallwafer kann leicht auf einem mit Poly[bis(4-phenyl) (2,4,6-trimethylphenyl) amine] (PTAA)-beschichteten Siliziumwafer gezüchtet werden, wobei die Wachstumshöhe des Kristalls durch Abstandshalter begrenzt ist. Die gewachsenen MAPbI3-Wafer mit einer Dicke von wenigen hundert µm erwiesen sich als sehr vielversprechend für die Herstellung eines Photodetektor-Prototyps, was durch die Auswertung des Photostroms und der Photoresponsivität in Abhängigkeit von der Zeit bestätigt wurde. Schließlich gelang es die Dicke der Perowskitkristalle MAPbBr3 und MAPbI3 mit Hilfe der raumbegrenzten RITC-Methode auf nur 10 bis 15 µm zu reduzieren. Wie die Wafer, wiesen auch die Kristall-„Filme“ eine hohe Strukturqualität auf und wurden für die Fabrikation einer MAPbI3-basierten Solarzelle verwendet. Die Auswertung der charakteristischen Solarzellenparameter der MAPbI3-Kristall-„Film“-Solarzelle lieferte erste vielversprechende Ergebnisse und zeigt das Potenzial der Verwendung von Kristallen für photovoltaische Zellen, auch wenn die Herstellung von dünnen Perowskit-Kristall-Solarzellen heute noch sehr schwierig ist.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung neuer, robuster Methoden der Spin-Lock-basierten MRT. Im Fokus stand hierbei vorerst die T1ρ-Quantifizierung des Myokards im Kleintiermodell. Neben der T1ρ-Bildgebung bietet Spin-Locking jedoch zusätzlich die Möglichkeit der Detektion ultra-schwacher, magnetischer Feldoszillationen. Die Projekte und Ergebnisse, die im Rahmen dieses Promotionsvorhabens umgesetzt und erzielt wurden, decken daher ein breites Spektrum der Spin-lock basierten Bildgebung ab und können grob in drei Bereiche unterteilt werden. Im ersten Schritt wurde die grundlegende Pulssequenz des Spin-Lock-Experimentes durch die Einführung des balancierten Spin-Locks optimiert. Der zweite Schritt war die Entwicklung einer kardialen MRT-Sequenz für die robuste Quantifizierung der myokardialen T1ρ-Relaxationszeit an einem präklinischen Hochfeld-MRT. Im letzten Schritt wurden Konzepte der robusten T1ρ-Bildgebung auf die Methodik der Felddetektion mittels Spin-Locking übertragen. Hierbei wurden erste, erfolgreiche Messungen magnetischer Oszillationen im nT-Bereich, welche lokal im untersuchten Gewebe auftreten, an einem klinischen MRT-System im menschlichen Gehirn realisiert. / The main goal of the present work was to develop new, robust methods of spin-lock-based MRI. The initial focus was on T1ρ quantification of the myocardium in small animal models. However, in addition to T1ρ imaging, spin-locking offers the possibility of detecting ultra-weak magnetic field oscillations. The projects and results realized and obtained in this PhD project therefore cover a broad spectrum of spin-lock based imaging and can be roughly divided into three areas. The first step was to optimize the basic pulse sequence of the spin-lock experiment by introducing balanced spin-locking. The second step was to develop a cardiac MRI sequence for robust quantification of the myocardial T1ρ relaxation time on a preclinical high-field MRI scanner. In the final step, concepts of robust T1ρ imaging were adapted to spin-lock based magnetic field detection. First successful measurements of magnetic field oscillations in the nT range, which occur locally inside the tissue under investigation, were realized on a clinical MRI system in the human brain.