Metallic nano-optical systems allow to confine and guide light at the nanoscale, a fascinating ability which has motivated a wide range of fundamental as well as applied research over the last two decades. While optical antennas provide a link between visible radiation and localized energy, plasmonic waveguides route light in predefined pathways. So far, however, most experimental demonstrations are limited to purely optical excitations, i.e. isolated structures are illuminated by external lasers. Driving such systems electrically and generating light at the nanoscale, would greatly reduce the device footprint and pave the road for integrated optical nanocircuitry. Yet, the light emission mechanism as well as connecting delicate nanostructures to external electrodes pose key challenges and require sophisticated fabrication techniques. This work presents various electrically connected nano-optical systems and outlines a comprehensive production line, thus significantly advancing the state of the art. Importantly, the electrical connection is not just used to generate light, but also offers new strategies for device assembly. In a first example, nanoelectrodes are selectively functionalized with self-assembled monolayers by charging a specific electrode. This allows to tailor the surface properties of nanoscale objects, introducing an additional degree of freedom to the development of metal-organic nanodevices. In addition, the electrical connection enables the bottom-up fabrication of tunnel junctions by feedback-controlled dielectrophoresis. The resulting tunnel barriers are then used to generate light in different nano-optical systems via inelastic electron tunneling. Two structures are discussed in particular: optical Yagi-Uda antennas and plasmonic waveguides. Their refined geometries, accurately fabricated via focused ion beam milling of single-crystalline gold platelets, determine the properties of the emitted light. It is shown experimentally, that Yagi-Uda antennas radiate light in a specific direction with unprecedented directionality, while plasmonic waveguides allow to switch between the excitation of two propagating modes with orthogonal near-field symmetry. The presented devices nicely demonstrate the potential of electrically connected nano-optical systems, and the fabrication scheme including dielectrophoresis as well as site-selective functionalization will inspire more research in the field of nano-optoelectronics. In this context, different future experiments are discussed, ranging from the control of molecular machinery to optical antenna communication. / Nano-optische Systeme ermöglichen es, Licht auf der Nanoskala zu fokussieren und zu leiten - eine faszinierende Fähigkeit, die in den letzten zwei Jahrzehnten ein breites Spektrum an Grundlagen- und angewandter Forschung motiviert hat. Während optische Antennen lokalisierte Energie mit sichtbarer Strahlung verknüpfen, leiten plasmonische Wellenleiter das Licht in vordefinierte Bahnen. Bislang jedoch beschränken sich die meisten Experimente auf isolierte Strukturen, die durch externe Lichtquellen angeregt werden. Die elektrisch getriebene Lichterzeugung auf der Nanoskala reduziert den Platzbedarf dieser Systeme erheblich und ebnet so den Weg für optische Nano-Schaltkreise. Allerdings stellen sowohl die Lichtemission als auch die Kontaktierung der Nanostrukturen erhebliche Herausforderungen dar. In dieser Arbeit werden verschiedene elektrisch kontaktierte nano-optische Systeme vorgestellt. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Kontaktierung - nicht nur für die Lichterzeugung, sondern auch für die Fabrikation der jeweiligen Strukturen. In einem ersten Beispiel werden Nanoelektroden durch Anlegen einer Spannung selektiv mit molekularen Monolagen beschichtet. Dadurch können die chemischen und elektronischen Oberflächeneigenschaften von Nanoobjekten maßgeschneidert werden, was einen zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Entwicklung von optoelektronischen Nanosystemen darstellt. Darüber hinaus ermöglicht die elektrische Kontaktierung die Herstellung von Tunnelbarrieren mittels Dielektrophorese, was die Lichterzeugung in verschiedenen nano-optischen Systemen durch inelastisches Elektronentunneln ermöglicht. Hier werden zwei Strukturen diskutiert: optische Yagi-Uda-Antennen und plasmonische Wellenleiter. Ihre ausgeklügelten Geometrien, hergestellt aus einkristallinen Goldflocken mittels fokussiertem Ionenstrahl, bestimmen die Eigenschaften des emittierten Lichts. Es wird gezeigt, dass Yagi-Uda-Antennen das Licht gezielt in eine bestimmte Richtung abstrahlen, während plasmonische Wellenleiter das Schalten zwischen zwei propagierenden Moden ermöglichen. Damit demonstriert diese Arbeit das Potenzial von elektrisch kontaktierten nano-optischen Systemen und wird - in Kombination mit Dielektrophorese und selektiver Funktionalisierung - weitere Forschungen auf dem Gebiet der Nano-Optoelektronik anregen. In diesem Zusammenhang werden verschiedene zukünftige Experimente, von der Steuerung molekularer Maschinen bis zur optischen Antennenkommunikation, diskutiert.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von weitbandlückigen Halbleitern mittels Raman-Spektroskopie. Diese wurde vorwiegend unter Verwendung von Licht einer Wellenlänge von 325 nm im ultravioletten Spektralbereich angeregt. Damit konnten zum einen aufgrund eines erhöhten Streuquerschnittes Messungen zur Probencharakterisierung durchgeführt werden, die mit Anregung im sichtbaren Spektralbereich nicht möglich gewesen wären. Zum anderen wurden bei dieser Anregungswellenlänge auftretende Resonanzeffekte untersucht. Dabei werden zwei verschiedene Materialsysteme behandelt: zum einen Kristalle mit Wurtzitstruktur und zum anderen binäre und ternäre Sesquioxide mit Metallionen der III. Hauptgruppe. An den Kristallen mit Wurtzitstruktur wurde die Streuung des Anregungslichts mit Energie oberhalb der Bandlücke an longitudinal-optischen (LO) Phononen untersucht. Die Streuung an einzelnen LO-Phononen wird unter diesen Anregungsbedingungen von einem Prozess dominiert, der eine elastische Streuung beinhaltet, durch die die Impulserhaltung verletzt wird. Es wurde ein Modell aufgestellt, dass zwischen einer elastischen Streuung an der Oberfläche und an Punktdefekten unterscheidet, und mit Hilfe von Experimenten verifiziert. Weiterhin wurde der Einfluss von Ladungsträgern auf die Energie der LO-Phononen untersucht und es wird eine Anwendung dieser Erkenntnisse zur Charakterisierung der Oberfläche von Zinkoxid vorgestellt. An den binären Oxiden des Galliums und Indiums wurden die Energien der Phononenmoden ermittelt und die resonante Verstärkung bei der verwendeten Anregungswellenlänge untersucht. Für das Galliumoxid wurde dabei insbesondere die Anisotropie des Materials berücksichtigt. Für das Indiumoxid wird dargestellt, dass durch die resonante Anregung alle Phononenmoden beobachtet werden können, was insbesondere auch die Bestimmung der Phononenmoden von Dünnschichtproben ermöglicht. Weiterhin waren Mischkristalle des Galliumoxids Untersuchungsgegenstand, in denen das Gallium teilweise durch Indium oder Aluminium ersetzt wurde. Die Phononenenergien wurden in Abhängigkeit der Zusammensetzung ermittelt und der Einfluss von strukturellen Eigenschaften darauf sowie das Auftreten von Phasenübergängen untersucht.

In this work, a characterization and optimization of the grating-based x-ray imaging technique is presented. The investigations are introduced by analytical considerations, are underpinned with numerical simulations and validated using exemplary experiments. A detailed examination of the image formation in a grating interferometer is given, highlighting the dependence of the measured signal on the profile of the gratings. Subsequently, it is shown analytically and in experiments that grating-based imaging can be performed using three basic grating arrangements, which differ in their requirements on grating fabrication and experimental implementation. By a characterization of the measurement signal for each arrangement, a dependence of the signal strength on the sample position within the interferometer is identified. The consecutive evaluation of the impact of this position dependence on radiographic and tomographic data leads to the derivation of optimized reconstruction algorithms and to a correction of resulting image artifacts. Additionally, it is shown that the simultaneous measurement of attenuation and phase images allows the determination of the atomic number of the sample, opening new possibilities for material discrimination. Apart from these investigations on the contrast formation, various imperfections of the technique are investigated: The properties of the image noise are examined in a detailed statistical analysis, yielding a fundamental understanding of the signal-to-noise behavior of the three available contrast channels. Additionally, beam-hardening artifacts at polychromatic x-ray sources are investigated and their correction by a linearization approach is resented. By a subsequent analysis of the influence of various different grating imperfections on the image quality, tolerance limits for grating fabrication are specified. Furthermore, analytical considerations show that gratings with a duty cycle of 1/3 are advantageous with respect to the signal-to-noise ratio in comparison to common gratings with a duty cycle of 1/2. In conclusion, the results, concepts and methods developed in this work broaden the understanding of grating-based x-ray imaging and constitute a step forward towards the practical implementations of the technique in imaging applications.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von weitbandlückigen Halbleitern mittels Raman-Spektroskopie. Diese wurde vorwiegend unter Verwendung von Licht einer Wellenlänge von 325 nm im ultravioletten Spektralbereich angeregt. Damit konnten zum einen aufgrund eines erhöhten Streuquerschnittes Messungen zur Probencharakterisierung durchgeführt werden, die mit Anregung im sichtbaren Spektralbereich nicht möglich gewesen wären. Zum anderen wurden bei dieser Anregungswellenlänge auftretende Resonanzeffekte untersucht. Dabei werden zwei verschiedene Materialsysteme behandelt: zum einen Kristalle mit Wurtzitstruktur und zum anderen binäre und ternäre Sesquioxide mit Metallionen der III. Hauptgruppe. An den Kristallen mit Wurtzitstruktur wurde die Streuung des Anregungslichts mit Energie oberhalb der Bandlücke an longitudinal-optischen (LO) Phononen untersucht. Die Streuung an einzelnen LO-Phononen wird unter diesen Anregungsbedingungen von einem Prozess dominiert, der eine elastische Streuung beinhaltet, durch die die Impulserhaltung verletzt wird. Es wurde ein Modell aufgestellt, dass zwischen einer elastischen Streuung an der Oberfläche und an Punktdefekten unterscheidet, und mit Hilfe von Experimenten verifiziert. Weiterhin wurde der Einfluss von Ladungsträgern auf die Energie der LO-Phononen untersucht und es wird eine Anwendung dieser Erkenntnisse zur Charakterisierung der Oberfläche von Zinkoxid vorgestellt. An den binären Oxiden des Galliums und Indiums wurden die Energien der Phononenmoden ermittelt und die resonante Verstärkung bei der verwendeten Anregungswellenlänge untersucht. Für das Galliumoxid wurde dabei insbesondere die Anisotropie des Materials berücksichtigt. Für das Indiumoxid wird dargestellt, dass durch die resonante Anregung alle Phononenmoden beobachtet werden können, was insbesondere auch die Bestimmung der Phononenmoden von Dünnschichtproben ermöglicht. Weiterhin waren Mischkristalle des Galliumoxids Untersuchungsgegenstand, in denen das Gallium teilweise durch Indium oder Aluminium ersetzt wurde. Die Phononenenergien wurden in Abhängigkeit der Zusammensetzung ermittelt und der Einfluss von strukturellen Eigenschaften darauf sowie das Auftreten von Phasenübergängen untersucht.

Metallic nanostructures possess the ability to support resonances in the visible wavelength regime which are related to localized surface plasmons. These create highly enhanced electric fields in the immediate vicinity of metal surfaces. Nanoparticles with dipolar resonance also radiate efficiently into the far-field and hence serve as antennas for light. Such optical antennas have been explored during the last two decades, however, mainly as standalone units illuminated by external laser beams and more recently as electrically driven point sources, yet merely with basic antenna properties. This work advances the state of the art of locally driven optical antenna systems. As a first instance, the electric driving scheme including inelastic electron tunneling over a nanometer gap is merged with Yagi-Uda theory. The resulting antenna system consists of a suitably wired feed antenna, incorporating a tunnel junction, as well as several nearby parasitic elements whose geometry is optimized using analytical and numerical methods. Experimental evidence of unprecedented directionality of light emission from a nanoantenna is provided. Parallels in the performance between radiofrequency and optical Yagi-Uda arrays are drawn. Secondly, a pair of electrically connected antennas with dissimilar resonances is harnessed as electrodes in an organic light emitting nanodiode prototype. The organic material zinc phthalocyanine, exhibiting asymmetric injection barriers for electrons and holes, in conjunction with the electrode resonances, allows switching and controlling the emitted peak wavelength and directionality as the polarity of the applied voltage is inverted. In a final study, the near-field based transmission-line driving of rod antenna systems is thoroughly explored. Perfect impedance matching, corresponding to zero back-reflection, is achieved when the antenna acts as a generalized coherent perfect absorber at a specific frequency. It thus collects all guided, surface-plasmon mediated input power and transduces it to other nonradiative and radiative dissipation channels. The coherent interplay of losses and interference effects turns out to be of paramount importance for this delicate scenario, which is systematically obtained for various antenna resonances. By means of the here developed semi-analytical toolbox, even more complex nanorod chains, supporting topologically nontrivial localized edge states, are studied. The results presented in this work facilitate the design of complex locally driven antenna systems for optical wireless on-chip communication, subwavelength pixels, and loss-compensated integrated plasmonic nanocircuitry which extends to the realm of topological plasmonics. / Metallische Nanostrukturen besitzen die Fähigkeit, Resonanzen im sichtbaren Wellenlängenbereich zu unterstützen, die mit lokalisierten Oberflächenplasmonen in Verbindung stehen. Diese erzeugen hochverstärkte elektrische Felder in der unmittelbaren Nähe von Metalloberflächen. Nanopartikel mit dipolarer Resonanz strahlen zudem effizient in das Fernfeld ab und dienen somit als Antennen für Licht. Solche optischen Antennen wurden in den letzten zwei Jahrzehnten erforscht, allerdings hauptsächlich als eigenständige Einheiten, welche von externen Laserstrahlen angeregt werden, und in jüngerer Zeit als elektrisch getriebene Punktquellen, die jedoch lediglich über grundlegende Antenneneigenschaften verfügen. Diese Arbeit erweitert den aktuellen Stand von lokal getriebenen optischen Antennensystemen. In einem ersten Fallbeispiel wird das elektrische Antriebsschema einschließlich inelastischem Elektronentunneln über einen Nanometer-Spalt mit der Yagi-Uda-Theorie zusammengeführt. Das resultierende Antennensystem besteht aus einer passend verdrahteten, gespeisten Antenne, die einen Tunnelübergang enthält, sowie mehreren nahe gelegenen parasitären Elementen, deren Geometrie mit analytischen und numerischen Methoden optimiert wird. Experimentelle Befunde für eine ungeahnte Direktionalität der Lichtemission von einer Nanoantenne werden erbracht. Es werden Parallelen im Leistungsverhalten zwischen Radiofrequenz- und optischen Yagi-Uda-Anordnungen gezogen. Als zweites wird ein Paar elektrisch kontaktierter Antennen mit unterschiedlichen Resonanzen als Elektroden in einem Prototyp einer organischen lichtemittierenden nanoskaligen Diode eingesetzt. Das organische Material Zinkphthalocyanin, welches asymmetrische Injektionsbarrieren für Elektronen und Löcher aufweist, ermöglicht in Verbindung mit den Elektrodenresonanzen die Schaltbarkeit und Kontrolle der emittierten Wellenlänge und der Direktionalität bei Umkehr der Polarität der angelegten Spannung. In einer abschließenden Studie wird der nahfeldbasierte Antrieb von stäbchenförmigen Antennsystemen mittels eines Wellenleiters detailliert untersucht. Perfekte Impedanzanpassung, entsprechend einer verschwindenden Rückreflexion, wird erreicht, wenn die Antenne bei einer spezifischen Frequenz als verallgemeinerter kohärenter perfekter Absorber agiert. Hierbei nimmt sie die gesamte wellenleitergeführte Eingangsleistung, vermittelt durch ein Oberflächenplasmon, auf, und überträgt sie auf andere nichtstrahlende und strahlende Dissipationskanäle. Das kohärente Zusammenspiel von Verlusten und Interferenzeffekten erweist sich für dieses empfindliche Szenario, das systematisch für verschiedene Antennenmoden erzeugt wird, als äußerst wichtig. Mit Hilfe des hier entwickelten semi-analytischen Werkzeugsets werden auch komplexere Ketten aus Nanostäbchen untersucht, bei denen topologisch nichttriviale lokalisierte Randzustände auftreten. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse erleichtern die Entwicklung komplexer lokal angetriebener Antennensysteme für optische drahtlose Kommunikation auf einem Computerchip, Subwellenlängenpixel und verlustkompensierte integrierte plasmonische Nanoschaltkreise, welche sich bis auf das Gebiet der topologischen Plasmonik erstrecken.

Verschiedene Konzepte der Röntgenmikroskopie haben sich mittlerweile im Labor etabliert und ermöglichen heute aufschlussreiche Einblicke in eine Vielzahl von Probensystemen. Der „Labormaßstab“ bezieht sich dabei auf Analysemethoden, die in Form von einem eigenständigen Gerät betrieben werden können. Insbesondere sind sie unabhängig von der Strahlerzeugung an einer Synchrotron-Großforschungseinrichtung und einem sonst kilometergroßen Elektronen-speicherring. Viele der technischen Innovationen im Labor sind dabei ein Transfer der am Synchrotron entwickelten Techniken. Andere wiederum basieren auf der konsequenten Weiterentwicklung etablierter Konzepte. Die Auflösung allein ist dabei nicht entscheidend für die spezifische Eignung eines Mikroskopiesystems im Ganzen. Ebenfalls sollte das zur Abbildung eingesetzte Energiespektrum auf das Probensystem abgestimmt sein. Zudem muss eine Tomographieanalage zusätzlich in der Lage sein, die Abbildungsleistung bei 3D-Aufnahmen zu konservieren. Nach einem Überblick über verschiedene Techniken der Röntgenmikroskopie konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf quellbasierte Nano-CT in Projektionsvergrößerung als vielversprechende Technologie zur Materialanalyse. Hier können höhere Photonenenergien als bei konkurrierenden Ansätzen genutzt werden, wie sie von stärker absorbierenden Proben, z. B. mit einem hohen Anteil von Metallen, zur Untersuchung benötigt werden. Das bei einem ansonsten idealen CT-Gerät auflösungs- und leistungsbegrenzende Bauteil ist die verwendete Röntgen-quelle. Durch konstruktive Innovationen sind hier die größten Leistungssprünge zu erwarten. In diesem Zuge wird erörtert, ob die Brillanz ein geeignetes Maß ist, um die Leistungsfähigkeit von Röntgenquellen zu evaluieren, welchen Schwierigkeiten die praktische Messung unterliegt und wie das die Vergleichbarkeit der Werte beeinflusst. Anhand von Monte-Carlo-Simulationen wird gezeigt, wie die Brillanz verschiedener Konstruktionen an Röntgenquellen theoretisch bestimmt und miteinander verglichen werden kann. Dies wird am Beispiel von drei modernen Konzepten von Röntgenquellen demonstriert, welche zur Mikroskopie eingesetzt werden können. Im Weiteren beschäftigt sich diese Arbeit mit den Grenzen der Leistungsfähigkeit von Transmissionsröntgenquellen. Anhand der verzahnten Simulation einer Nanofokus-Röntgenquelle auf Basis von Monte-Carlo und FEM-Methoden wird untersucht, ob etablierte Literatur¬modelle auf die modernen Quell-konstruktionen noch anwendbar sind. Aus den Simulationen wird dann ein neuer Weg abgeleitet, wie die Leistungsgrenzen für Nanofokus-Röntgenquellen bestimmt werden können und welchen Vorteil moderne strukturierte Targets dabei bieten. Schließlich wird die Konstruktion eines neuen Nano-CT-Gerätes im Labor-maßstab auf Basis der zuvor theoretisch besprochenen Nanofokus-Röntgenquelle und Projektionsvergrößerung gezeigt, sowie auf ihre Leistungsfähigkeit validiert. Es ist spezifisch darauf konzipiert, hochauflösende Messungen an Materialsystemen in 3D zu ermöglichen, welche mit bisherigen Methoden limitiert durch mangelnde Auflösung oder Energie nicht umsetzbar waren. Daher wird die praktische Leistung des Gerätes an realen Proben und Fragestellungen aus der Material¬wissenschaft und Halbleiterprüfung validiert. Speziell die gezeigten Messungen von Fehlern in Mikrochips aus dem Automobilbereich waren in dieser Art zuvor nicht möglich. / Various concepts of X-ray microscopy have become established in laboratories. Nowadays, they allow insightful analysis of a wide range of sample systems. In this context, "laboratory scale" refers to the analytical methods that operate as a stand-alone instrument. They are independent from beam generation at a large-scale synchrotron research facility with a kilometer-sized electron storage ring. Many of the technical innovations in the laboratory are transferred techniques developed at the synchrotron. Others are based on the continuous further development of previously established concepts. By itself, resolution is not decisive for the specific suitability of a microscopy system in general. The energy spectrum used for imaging should also be matched to the specimen and a tomography system must be able to preserve the imaging performance for 3D images. After an overview of different X-ray microscopy techniques, this work examines how source-based nano-CT in projection magnification is a promising technology for materials analysis. Here, higher photon energies can be used than in competing approaches as required by more absorbent samples for examination, such as those with a high metal content. The core component limiting resolution and performance in an otherwise ideal CT device is the X-ray source used. The greatest leaps in imaging performance can be expected through design innovations in the X ray source. Therefore, In the course of this work, it is discussed when brilliance is and is not an appropriate measure to evaluate the performance of X-ray sources, what difficulties practical measurement is subject to and how this affects the comparability of values. Monte Carlo simulations show how the brilliance of different designs on X-ray sources can be theoretically determined and compared, and this is demonstrated by the example of three modern concepts of X-ray sources, which can be used for microscopy. Next, this thesis considers the limits of the performance of transmission X-ray sources. Using the coupled simulation of a nano focus X-ray source based on Monte Carlo and FEM methods, this thesis investigates whether established literature models are still applicable to these modern source designs. The simulations are then used to derive a new way to determine the performance limits for nano focus X-ray sources and the advantage of modern targets made of multiple layers. Then, a new laboratory-scale nano-CT device based on the nano focus X-ray source and projection magnification is theoretically discussed before it is presented with an evaluation of its performance. It is specifically designed to enable high-resolution measurements on material systems in 3D, which were not feasible with previous methods as they were limited by a lack of resolution or energy. Therefore, the practical performance of the device can finally be validated on real samples and issues from materials science and semiconductor inspection. The shown measurements of defects in automotive microchips in this way were not previously possible.

The three dimensional Monte Carlo radiation transport model McArtim is extended to account for the simulation of the propagation of polarized radiation and the inelastic rotational Raman scattering which is the cause of the so called Ring effect. From the achieved and now sufficient precision of the calculated Ring effect new opportunities in optical absorption spectroscopy arise. In the calculation the method of importance sampling (IS) is applied. Thereby one obtains from an ensemble of Monte Carlo photon trajectories an intensity accounting for the elastic aerosol particle-, Cabannes- and the inelastic rotational Raman scattering (RRS) and simultaneously an intensity, for which Rayleigh scattering is treated as an elastic scattering process. By combining both intensities one obtains the so called filling-in (FI, which quantifies the filling-in of Fraunhofer lines) as a measure for the strength of the Ring effect with the same relative precision as the intensities. The validation of the polarized radiometric quantities and the Ring effect is made by comparison with partially published results of other radiation transport models. Furthermore the concept of discretisation of the optical domain into grid cells is extended by making grid cells arbitrarily joining into so called clusters, i.e. grid cell aggregates. Therewith the program is able to calculate derivatives of radiometrically or spectroscopically accessible quantities, namely the intensities at certain locations in the atmospheric radiation field and the light path integrals of trace gas concentrations associated thereto, i.e. the product of the DOAS (differential optical absorption spectroscopy) method, with respect to optical properties of aerosols and gases in connected spatial regions. The first and second order derivatives are validated through so called self-consistency tests. These derivatives allow the inversion of three dimensional tracegas and aerosol concentration profiles and pave the way down to 3D optical scattered light tomography. If such tomographic inversion scheme is based solely on spectral intensitites the available second order derivatives allows the consideration of the curvature in the cost function and therefore allows implementation of efficient optimisation algorithms. The influence of the instrument function on the spectra is analysed in order to mathematically assess the potential of DOAS to a sufficient degree. It turns out that the detailed knowledge of the instrument function is required for an advanced spectral analysis. Concludingly the mathematical separability of narrow band signatures of absorption and the Ring effect from the relatively broad band influence of the elastic scattering processes on the spectra is demonstrated which corresponds exactly to the DOAS principle. In that procedure the differential signal is obtained by approximately 4 orders of magnitude faster then by the separate modelling with and without narrow band structures. Thereby the fusion of the separated steps DOAS spectral analysis and subsequent radiation transport modeling becomes computationally feasible.:1.1. Radiation Transport Modeling and Atmospheric State Inversion 1.2. Vector RTE Solution Methods 1.3. Scope of the Thesis 1.4. Outline of the Thesis 2.1. General Structure 2.1.1. Chemical Composition of the Gas Phase 2.1.2. The Troposphere, Temperature and Pressure Vertical Structure 2.1.3. The Stratosphere 2.2. Aerosols and Clouds 2.2.1. Classification and Morphology 2.2.2. Water Related Particle Growth and Shrinking Processes 2.2.3. Size Spectra and Modes 3.1. Electromagnetic Waves 3.1.1. Maxwell\''s Equations 3.1.2. Measurement of Electromagnetic Waves 3.1.3. Polarization State of EM Waves 3.1.4. Stokes Vectors 3.2. Scattering and Absorption of EM Waves by Molecules and Particles 3.2.1. General Description of Scattering and Coordinate Systems 3.2.2. Molecular Scattering 3.2.3. Molecular Absorption Processes and Electronic Molecular States 3.2.4. Scattering On Spherical Particles - Mie Theory 3.3. Mathematical Description of Radiation Transport 3.3.1. Radiance and Irradiance 3.3.2. Absorption, Scattering and Extinction Coefficients 3.3.3. Optical Thickness and Transmission 3.3.4. Scattering 3.3.5. Incident (Ir)Radiance 3.3.6. The Black Surface Single Scattering Approximation 3.3.7. Radiative Transfer Equations 4.1. General Monte Carlo Methods 4.1.1. Numerical Integration 4.1.2. Importance Sampling and Zero Variance Estimates 4.1.3. Optimal Sampling 4.1.4. Sampling from Arbitrary Distributions 4.2. Path Generation or Collision Density Estimation 4.2.1. Discretization of the Optical Domain into Cells and Clusters 4.2.2. RTE Integral Form 4.2.3. Formal Solution of the IRTE 4.2.4. Overview on Monte Carlo RTE Solution Algorithms 4.2.5. Crude Monte Carlo 4.2.6. Sequential Importance Sampling (SIS) or Path Generation 4.3. Importance Sampling in Monte Carlo SIS Radiative Transfer 4.3.1. Weights for Alternate Kernels 4.3.2. Weights in the Calculation of RTE Functional Estimates 4.3.3. Application of IS to Mie Phase Functions Scatter Angle Sampling 5.1. Radiances, Intensities and the Reciprocity Theorem 5.1.1. Scalar Radiance Estimates 5.1.2. Backward Monte Carlo Scalar Radiance 5.1.3. Vector Radiances 5.2. Radiance Derivatives 5.2.1. Variables for Radiance Derivatives 5.3. Validation of Functionals 5.3.1. Validation of Vector Radiances 5.3.2. Validation of Radiance Derivatives 6.1. A Simply Structured Instrument Forward Model 6.2. Pure Atmospheric Spectra and Absorption 6.2.1. Direct Light Spectra 6.2.2. Scattered Sun Light Spectra 6.3. (D)OAS from the Perspective of Radiative Transfer Modeling 6.3.1. (Rest) Signatures of Weakly Absorbing Gases 6.3.2. Spectroscopic Measurements and Standard DOAS 6.4. DOAS Analysis Summary 6.4.1. DSCD Retrieval 6.4.2. Inversion 7.1. RRS-Modified RTE 7.1.1. RRS Cross Sections for Scattering out and into a Wavelength 7.1.2. Modification of the RTE Loss and Source Terms 7.2. Intensity Estimates Considering Rotational Raman Scattering 7.2.1. RRS in the Path Sampling Procedure 7.2.2. Adjoint RRS Correction Weights 7.2.3. Local Estimates of Intensities with RRS 7.2.4. Intensity Estimates 7.3. Ring Spectra 7.3.1. Elastic Biasing of the Local Estimates 7.3.2. Cumulative Weights and Local Estimates 7.3.3. Test of the Elastic Biasing 7.4. Validation 7.4.1. Comparison to an Analytic Single Scattering Code 7.4.2. Single Scattering Model Including Rotational Raman Scattering 7.4.3. Multiple Scattering Model Comparison 7.4.4. Comparison with A Measurement 7.4.5. Validation of Approximate Methods For Ring Effect Modeling 7.5. Summary and Discussion 8.1. Status and Summary 8.1.1. Ring-Effect and Absorption Corrected Radiances 8.1.2. Derivatives of Radiometric Quantities Accessible Through Spectroscopy 8.1.3. Polarization 8.1.4. Time Integrated Sensitivities for 3D UV/vis/NIR Remote Sensing 8.2. Outlook A.1. Zero Variance Estimates A.2. Free Path Length Sampling in a Homogeneous Medium A.3. Cumulative Differential Scatter Cross Sections A.3.1. Cardanic formulas A.3.2. Rayleigh and Raman Phase Functions A.3.3. Henyey-Greenstein Model A.3.4. Legendre Polynomial Phase Function Model A.3.5. Table Methods A.4. Greens Function in the Derivation of the IRTE A.5. Source Code For Stokes Vector Transformation Plot B.1. 1st Order Derivatives B.2. 2nd Order Derivatives B.3. Hessian of Integrals Depending on Many Variables C.1. Slit Function f Derivatives C.2. Signal Sn Derivatives C.3. Chi Square Spline Fitting C.3.1. Constrained Non-Linear Least Square Problem C.3.2. Spline Fitting C.3.3. Jacobians and Hessian

In dieser Arbeit wurde die alte Designvariante des Fabry-Pérot-Filters (FPI4) hinsichtlich Performance und Ausbeute untersucht. Zielstellung war eine Optimierung, welche die Probleme wie Sticking, Kurzschluss zwischen Schirm und Elektrode sowie Defekte bei den Vereinzelungsverfahren beseitigen sollten. Ferner wurden eine Chipbezeichnung und eine neue geteilte Elektrode anvisiert. Ergebnis dieser Optimierung war das neue Design FPI5. Weiterhin wurde neben der Auslegung des FPI5 für das adhäsive Bonden mit SU8 eine Designvariante für das direkte Bonden realisiert. Das direkte Bonden konnte bereits bei den FPI mit zwei beweglichen Reflektorträgern erfolgreich getestet werden und soll nun auf die Designvariante mit nur einem beweglichen Reflektorträger übertragen werden. Außerdem wurde eine Überprüfung der SU8-Bondfestigkeit durchgeführt. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass die bis dato benutzten Bondparameter nicht das Optimum bezüglich der Bondfestigkeit darstellen, da in Testverbunden mit veränderten Bondparametern bis zu 50 % höhere Bondfestigkeiten erreicht wurden.:ABKÜRZUNGS- UND FORMELVERZEICHNIS VI 1 EINLEITUNG 8 1.1 Motivation 8 1.2 Kapitelübersicht 11 2 DAS FABRY-PEROT-INTERFEROMETER 12 3 DAS ALTE DESIGN FPI4 15 3.1 FPI4 15 3.2 Optimierungspunkte und Schwachstellen 17 4 DAS NEUE DESIGN FPI5 19 4.1 Verhindern von Sticking 20 4.2 Isolator zwischen Schirm und Elektrode 22 4.3 Abdichtfolie für den Sägeprozess 22 4.4 Chipbezeichnung 23 4.5 Elektrodenform 23 4.6 Zusammenfassung des Redesigns 25 5 PROZESSTECHNISCHE REALISIERUNG 27 5.1 FPI5 – Direktbond 27 5.1.1 Oberteil 28 5.1.2 Unterteil 30 5.2 FPI5 – SU8 31 5.2.1 Oberteil 32 5.2.2 Unterteil 34 5.3 Selektive Schichtabscheidung der optischen Schichten 36 6 CHARAKTERISIERUNG DER MUSTER 37 6.1 FPI5 – Direktbond 37 6.1.1 Oberteil 38 6.1.2 Unterteil 40 6.1.3 Beschichtung der optischen Schichten in Jena 42 6.1.4 Zusammenfassung 44 6.2 FPI5 – SU8 47 6.2.1 Oberteil 48 6.2.2 Unterteil 49 6.2.3 Beschichtung der optischen Schichten in Jena 52 6.2.4 Zusammenfassung 54 7 BONDEN DER FPI 57 7.1 Vorversuche zur SU8-Bondfestigkeit 57 7.1.1 Realisierung der Bondmuster 59 7.1.2 Charakterisierung der Bondmuster 60 7.1.3 Vereinzelungstests der Bondmuster 63 7.1.4 Bondfestigkeitsüberprüfung der Bondmuster mit abgerundeten Bondrahmen 64 7.1.5 Bondfestigkeitsüberprüfung der Bondmuster ohne abgerundeten Bondrahmen 67 7.2 Direktbonden der FPI 73 7.2.1 Ablauf des Direktbondens 73 7.2.2 Charaktersierung der Bondmuster 76 7.3 SU8-Bonden der FPI 78 7.3.1 Präparation der SU8-Rahmenstruktur 78 7.3.2 Ablauf des SU8-Bondens 80 7.3.2 Charakterisierung der Bondmuster 81 8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 83 LITERATURVERZEICHNIS 85 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 87 TABELLENVERZEICHNIS 88 ANLAGENVERZEICHNIS 90 / This work presents a new design type of the older well known tunable micromachined Fabry-Pérot filter (FPI4). Compared to the previous system the new design (FPI5) aimed to avoid the problems as sticking, short circuit between the shield and the electrode as well as the malfunction in dicing and separation. Furthermore an identification mark and a new separated electrode were to be improved. The conclusion of this optimization was the new Design FPI5. The whole geometry was in addition to the adhesive bonding with SU8 moreover designed for the direct bonding, which was successfully verified in the FPI design with two moveable reflector carriers. Additionally a verification of the bonding strength at different bonding parameters was done. This verification showed that a 50 % higher bonding strength could be achieved by using the new bonding parameters in comparison to the normally used bonding parameters.:ABKÜRZUNGS- UND FORMELVERZEICHNIS VI 1 EINLEITUNG 8 1.1 Motivation 8 1.2 Kapitelübersicht 11 2 DAS FABRY-PEROT-INTERFEROMETER 12 3 DAS ALTE DESIGN FPI4 15 3.1 FPI4 15 3.2 Optimierungspunkte und Schwachstellen 17 4 DAS NEUE DESIGN FPI5 19 4.1 Verhindern von Sticking 20 4.2 Isolator zwischen Schirm und Elektrode 22 4.3 Abdichtfolie für den Sägeprozess 22 4.4 Chipbezeichnung 23 4.5 Elektrodenform 23 4.6 Zusammenfassung des Redesigns 25 5 PROZESSTECHNISCHE REALISIERUNG 27 5.1 FPI5 – Direktbond 27 5.1.1 Oberteil 28 5.1.2 Unterteil 30 5.2 FPI5 – SU8 31 5.2.1 Oberteil 32 5.2.2 Unterteil 34 5.3 Selektive Schichtabscheidung der optischen Schichten 36 6 CHARAKTERISIERUNG DER MUSTER 37 6.1 FPI5 – Direktbond 37 6.1.1 Oberteil 38 6.1.2 Unterteil 40 6.1.3 Beschichtung der optischen Schichten in Jena 42 6.1.4 Zusammenfassung 44 6.2 FPI5 – SU8 47 6.2.1 Oberteil 48 6.2.2 Unterteil 49 6.2.3 Beschichtung der optischen Schichten in Jena 52 6.2.4 Zusammenfassung 54 7 BONDEN DER FPI 57 7.1 Vorversuche zur SU8-Bondfestigkeit 57 7.1.1 Realisierung der Bondmuster 59 7.1.2 Charakterisierung der Bondmuster 60 7.1.3 Vereinzelungstests der Bondmuster 63 7.1.4 Bondfestigkeitsüberprüfung der Bondmuster mit abgerundeten Bondrahmen 64 7.1.5 Bondfestigkeitsüberprüfung der Bondmuster ohne abgerundeten Bondrahmen 67 7.2 Direktbonden der FPI 73 7.2.1 Ablauf des Direktbondens 73 7.2.2 Charaktersierung der Bondmuster 76 7.3 SU8-Bonden der FPI 78 7.3.1 Präparation der SU8-Rahmenstruktur 78 7.3.2 Ablauf des SU8-Bondens 80 7.3.2 Charakterisierung der Bondmuster 81 8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 83 LITERATURVERZEICHNIS 85 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 87 TABELLENVERZEICHNIS 88 ANLAGENVERZEICHNIS 90

Efficient substrates for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) are under constant development, since time-consuming and costly fabrication routines are often an issue for high-throughput spectroscopy applications. In this research, we use a two-step fabrication method to produce self-organized parallel-oriented plasmonic gold nanostructures. The fabrication routine is ready for wafer-scale production involving only low-energy ion beam irradiation and metal deposition. The optical spectroscopy features of the resulting structures show a successful bidirectional plasmonic response. The localized surface plasmon resonances (LSPRs) of each direction are independent from each other and can be tuned by the fabrication parameters. This ability to tune the LSPR characteristics allows the development of optimized plasmonic nanostructures to match different laser excitations and optical transitions for any arbitrary analyte. Moreover, in this study, we probe the polarization and wavelength dependence of such bidirectional plasmonic nanostructures by a complementary spectroscopic ellipsometry and Raman spectroscopy analysis. We observe a significant signal amplification by the SERS substrates and determine enhancement factors of over a thousand times. We also perform finite element method-based calculations of the electromagnetic enhancement for the SERS signal provided by the plasmonic nanostructures. The calculations are based on realistic models constructed using the same particle sizes and shapes experimentally determined by scanning electron microscopy. The spatial distribution of electric field enhancement shows some dispersion in the LSPR, which is a direct consequence of the semi-random distribution of hotspots. The signal enhancement is highly efficient, making our SERS substrates attractive candidates for high-throughput chemical sensing applications in which directionality, chemical stability, and large-scale fabrication are essential requirements.

Der externe Wirkungsquerschnitt von auf AlGaAs/InGaAlP basierenden Leuchtdioden (LEDs) ist auf Grund von Totalreflexion infolge des hohen Brechungsindex des Halbleitermaterials (n=3...4) beschränkt. Auf die Oberfläche der LED aufgebrachte metallische Nanoteilchen (MNT) können jedoch als Dipolstreuer genutzt werden, um so die Emission der LED zu vergrößern. In dieser Arbeit wurden zunächst einzelne Goldnanoteilchen verschiedener Größe auf einer solchen Leuchtdiode in zwei verschiedenen Der externe Wirkungsquerschnitt von auf AlGaAs/InGaAlP basierenden Leuchtdioden (LEDs) ist auf Grund von Totalreflexion infolge des hohen Brechungsindex des Halbleitermaterials (n=3...4) beschränkt. Auf die Oberfläche der LED aufgebrachte metallische Nanoteilchen (MNT) können jedoch als Dipolstreuer genutzt werden, um so die Emission der LED zu vergrößern. In dieser Arbeit wurden zunächst einzelne Goldnanoteilchen verschiedener Größe auf einer solchen Leuchtdiode in zwei verschiedenen Umgebungsmedien untersucht. Dabei zeigt sich eine deutliche Verstärkung der Emission, falls die Dipolresonanz des MNT bei kürzeren Wellenlängen im Vergleich zur LED-Emission liegt. Für den Fall, dass die Dipolresonanz mit der Emission überlappt oder bei größeren Wellenlängen liegt, kommt es zu einer Abschwächung. Numerische Berechnungen zeigen, dass dabei die Stärke der Quadrupolmode, welche zusätzliche Absorption hervorruft, sowie eine Rotverschiebung der Dipolresonanz bei Anregung oberhalb des kritischen Winkels der Totalreflexion eine entscheidende Rolle spielen. Mit Hilfe einer speziellen Maskentechnik, der Fischer-Pattern-Nanolithographie, können Arrays von MNT hergestellt und anschließend die MNT in Form und Größe manipuliert werden. Die zunächst dreieckige Form der Partikel führt zu einer Abschwächung der Emission, welche sich aber durch Umwandlung der MNT in Kugeln zu einer Emissionsverstärkung wendet. Dabei kann Licht, welches sonst im Substrat gefangen wäre, durch plasmonische Streuung ausgekoppelt werden. Eine Untersuchung ähnlicher Strukturen auf einem hochbrechenden, transparenten Substrat (GaP) zeigt, dass die Lage der plasmonischen Resonanzen stärker vom Abstand der Partikel abhängt, als gewöhnlich zu erwarten wäre.:1 Eigenschaften metallischer Nanoteilchen 2 Untersuchung der Lichtauskopplungsverstärkung einzelner Metalnanoteilchen auf der LED 3 Regelmäßig angeordnete metallische Nanoteilchen - Herstellung und Verstärkungseigenschaften 4 Manipulation der Größe metallischer Nanopartikel 5 Eigenschaften eines Arrays metallischer Nanopartikel auf einem hochbrechenden Substrat 6 Abschlussdiskussion / The external quantum efficiency of light-emitting diodes (LEDs) based on AlGaAs/InGaAlP is limited by total internal reflection because of the high refractive index (typically between 3 and 4) of the semiconductor. Metal nanoparticles (MNP) deposited on the surface of the LED can be used as dipole scatterers in order to enhance the emission of the LED. In this thesis, first, single gold nanoparticles of various sizes deposited on such an LED were investigated. A clear enhancement is detected as long as the dipole plasmon resonance of the particle is at a shorter wavelength than the LED emission. If the plasmon resonance coincides with the LED emission or is at a larger wavelength, the enhancement turns into suppression. Numerical simulations indicate that this latter effect is mainly caused by the particle quadrupole resonance producing extra absorption. Arrays of MNPs can be produced by a special mask technique called \"Fischer pattern nanolithography\" and manipulated in shape and size by additional steps. Originally, the MNPs produced by this technique are triangular in shape and turn out to suppress the LED emission. After transformation of the particles to spheres, a clear enhancement was detected. Light that would otherwise remain trapped inside the substrate is coupled out by resonant plasmonic scattering. Investigations on analogous structures on a transparent high-index material (GaP) indicate a stronger coupling between the particles than expected on the basis of literature data.:1 Eigenschaften metallischer Nanoteilchen 2 Untersuchung der Lichtauskopplungsverstärkung einzelner Metalnanoteilchen auf der LED 3 Regelmäßig angeordnete metallische Nanoteilchen - Herstellung und Verstärkungseigenschaften 4 Manipulation der Größe metallischer Nanopartikel 5 Eigenschaften eines Arrays metallischer Nanopartikel auf einem hochbrechenden Substrat 6 Abschlussdiskussion