The thesis "Anlre resolved dielectric response in carbon nanotubes" is dedicated to expounding the the anisotropy in the fundamental dielectric response of carbon nanotubes. While nanotubes are along their axis essentially planar graphene, the rolled up topology gives rise to entirely new features for perpendicular polarizations.

Universiẗat, Diss., 2001--Dortmund.

In the course of this thesis gold nanoparticle/polyelectrolyte multilayer structures were prepared, characterized, and investigated according to their static and ultrafast optical properties. Using the dip-coating or spin-coating layer-by-layer deposition method, gold-nanoparticle layers were embedded in a polyelectrolyte environment with high structural perfection. Typical structures exhibit four repetition units, each consisting of one gold-particle layer and ten double layers of polyelectrolyte (cationic+anionic polyelectrolyte). The structures were characterized by X-ray reflectivity measurements, which reveal Bragg peaks up to the seventh order, evidencing the high stratication of the particle layers. In the same measurements pronounced Kiessig fringes were observed, which indicate a low global roughness of the samples. Atomic force microscopy (AFM) images veried this low roughness, which results from the high smoothing capabilities of polyelectrolyte layers. This smoothing effect facilitates the fabrication of stratified nanoparticle/polyelectrolyte multilayer structures, which were nicely illustrated in a transmission electron microscopy image. The samples' optical properties were investigated by static spectroscopic measurements in the visible and UV range. The measurements revealed a frequency shift of the reflectance and of the plasmon absorption band, depending on the thickness of the polyelectrolyte layers that cover a nanoparticle layer. When the covering layer becomes thicker than the particle interaction range, the absorption spectrum becomes independent of the polymer thickness. However, the reflectance spectrum continues shifting to lower frequencies (even for large thicknesses). The range of plasmon interaction was determined to be in the order of the particle diameter for 10 nm, 20 nm, and 150 nm particles. The transient broadband complex dielectric function of a multilayer structure was determined experimentally by ultrafast pump-probe spectroscopy. This was achieved by simultaneous measurements of the changes in the reflectance and transmittance of the excited sample over a broad spectral range. The changes in the real and imaginary parts of the dielectric function were directly deduced from the measured data by using a recursive formalism based on the Fresnel equations. This method can be applied to a broad range of nanoparticle systems where experimental data on the transient dielectric response are rare. This complete experimental approach serves as a test ground for modeling the dielectric function of a nanoparticle compound structure upon laser excitation. / Im Rahmen dieser Arbeit wurden Gold-Nanopartikel/Polyelektrolyt Multischichtstrukturen hergestellt, strukturell charakterisiert und bezüglich ihrer optischen Eigenschaften sowohl statisch als auch zeitaufgelöst analysiert. Die Strukturen wurden mithilfe der Dip-coating oder der Spin-coating Methode hergestellt. Beide Methoden ermöglichen das Einbetten einzelner Partikellagen in eine Polyelektrolytumgebung. Typische Strukturen in dieser Arbeit bestehen aus vier Wiederholeinheiten, wobei jede aus einer Nanopartikelschicht und zehn Polyelektrolyt-Doppellagen (kationisches und anionisches Polyelektrolyt) zusammengesetzt ist. Die Stratizierung der Gold-Nanopartikellagen wurde mittels Röntgenreflektometrie-Messungen im Kleinwinkelbereich nachgewiesen, welche Bragg Reflexionen bis zur siebten Ordnung aufzeigen. Das ausgeprägte Kiessig Interferenzmuster dieser Messungen weist zudem auf eine geringe globale Rauheit hin, die durch Oberflächenanalysen mit einem Rasterkraftmikroskop bestätigt werden konnte. Diese geringe Rauheit resultiert aus den glättenden Eigenschaften der Polyelektrolyte, die die Herstellung von Multilagensystemen mit mehreren Partikellagen erst ermöglichen. Die Aufnahme eines Transmissionselektronenmikroskops veranschaulicht eindrucksvoll die Anordnung der Partikel in einzelne Schichten. Durch photospektroskopische Messungen wurden die optischen Eigenschaften der Strukturen im UV- und sichtbaren Bereich untersucht. Beispielsweise wird eine Verschiebung und Verstärkung der Plasmonenresonanz beobachtet, wenn eine Goldnanopartikellage mit transparenten Polyelektrolyten beschichtet wird. Erst wenn die bedeckende Schicht dicker als die Reichweite der Plasmonen wird, bleibt die Absorption konstant. Die spektrale Reflektivität jedoch ändert sich auch mit jeder weiteren adsorbierten Polyelektrolytschicht. Die Reichweite der Plasmonenresonanz konnte auf diese Art für Partikel der Größe 10 nm, 20 nm und 150 nm bestimmt werden. Die Ergebnisse wurden im Kontext einer Effektiven Mediums Theorie diskutiert. Die komplexe dielektrische Funktion einer Multilagenstruktur wurde zeitabhängig nach Laserpulsanregung für einen breiten spektralen Bereich bestimmt. Dazu wurden zuerst die Änderungen der Reflektivität und Transmittivität simultan mittels der Pump-Probe (Anrege-Abtast) Spektroskopie gemessen. Anschließend wurden aus diesen Daten, mithilfe eines Formalismus, der auf den Fresnelschen Formeln basiert, die Änderungen im Real- und Imaginärteil der dielektrischen Funktion ermittelt. Diese Methode eignet sich zur Bestimmung der transienten dielektrischen Funktion einer Vielzahl von Nanopartikelsystemen. Der rein experimentelle Ansatz ermöglicht es, effektive Medien Theorien und Simulationen der dielektrischen Funktion nach Laserpulsanregung zu überprüfen.

In this work the molecular growth mode of several organic molecules was studied using a combination of variable angle spectroscopic ellipsometry (VASE) and Infrared spectroscopy (IR) as investigations tools. As organic systems several Phthalocyanine molecules, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA), tris-(8-hydroxyquinoline)-aluminum(III) (Alq3) / N,N’-Di-[(1-naphthyl)-N,N’-diphenyl]-(1,1’-biphenyl)-4,4’-diamine (a-NPD) were investigated. The ordered growth of the Pcs and PTCDA and their intrinsic optical anisotropy of their planar molecular structure give rise to highly anisotropic layers. In contrast with the planar molecules, Alq3 and a-NPD form homogenous isotropic films with a very low surface roughness. As a non-destructive and very surface sensitive technique, ellipsometry allows the thickness, the surface roughness and optical constants to be accurately determined. From the strong in-plane /out-of-plane anisotropy of the dielectric function the average molecular orientation angle of the Pc’s molecules was determined. The knowledge of the molecular orientation combined with the information accessible from the shape of the Q-band of the Pc can provide an insightful picture of the molecular growth. While the Pc layers grown on HV condition grow with the b-axis (stacking axis) perpendicular to the substrate and F16PcVO lies on the KBr substrates, the Pc samples prepared in UHV adopt a parallel to the substrate b-axis configuration. These results were confirmed by reflection IR measurements performed in s and p polarization. The ellipsometric studies on heterostructures proved that PTCDA has a template effect on the Pc growth and the interaction between this two molecules affects the optical response at the interfaces. In contrast with this system where rough interfaces were assumed in the model, the combination Alq3 / a-NPD gives sharp optical interfaces. The in-situ measurements performed at BESSY proved that sub-monolayer sensitivity can be achieved in the VUV range using spectroscopic ellipsometry and moreover the dielectric function of these ultra-thin films can be determined. A spectral shift towards higher energies of the Alq3 and a-NPD features was observed for sub-monolayers on silicon substrate when compared with the bulk reference. The smaller shift observed for the Alq3 sub-monolayers on ZnO substrate indicate that the effect of the silicon substrate has to be taken into account when explaining the spectral behaviour of the sub-monolayers. / In dieser Arbeit wurde das Wachstum von organischen Molekülschichten mit Hilfe einer Kombination aus spektroskopischer Ellipsometrie mit variablem Einfallswinkel "Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry (VASE)" und Infrarotspektroskopie (IR) untersucht. Als organische Systeme wurden verschiedene Phthalocyaninmoleküle (Pc), 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Dianhydrid (PTCDA) und tris-(8-hydroxochinolin)-Aluminium(III) (Alq3) / N,N’-Di-[(1-naphthyl)-N,N’-diphenyl]-(1,1’-biphenyl)-4,4’-diamin (α-NPD) betrachtet. Das geordnete Wachstum der Pcs und von PTCDA führt, bedingt durch die intrinsische optische Anisotropie der planaren organischen Moleküle, zu hochgradig anisotropen Schichten. Im Gegensatz zu den planaren Molekülen bilden Alq3 und α-NPD homogene isotrope Filme mit einer sehr geringen Oberflächenrauigkeit aus. Als eine nicht destruktive und sehr oberflächensensitive Technik, erlaubt es die Ellipsometrie, die Dicke, die Oberflächenrauigkeit und die optischen Konstanten genau zu bestimmen. Aus der starken in-plane / out-of-plane Anisotropie der dielektrischen Funktion wurde der mittlere molekulare Orientierungswinkel der Pc-Moleküle bestimmt. Die Kenntnis der molekularen Orientierung, verknüpft mit der in der Form des Q-Bandes der Pc-Moleküle enthaltenen Information, gewährt Einblick in das molekulare Wachstumsverhalten. Während die Pc-Schichten unter Hochvakuumbedingungen mit der b-Achse (Stapelachse) senkrecht zum Substrat wachsen und F16PcVO sich flach auf die KBr-Substrate legt, nehmen die unter Ultrahochvakuumbedingungen hergestellten Pc-Proben eine parallel zum Substrat liegende b-Achsenanordnung ein. Diese Ergebnisse wurden mit IR-Messungen bestätigt, welche in s- und p-Polarisation durchgeführt wurden. Die ellipsometrischen Untersuchungen an Heterostrukturen haben bewiesen, dass PTCDA einen Template-Effekt auf das Wachstum der aufwachsenden Pc-Schicht hat und dass die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Molekülen die Reaktion an der Grenzflächenschicht beeinflusst. Im Gegensatz zu diesem System, bei dem raue Grenzflächen im Modell verwendet wurden, ergibt die Kombination Alq3 / α-NPD scharfe Grenzflächen. Die in-situ-Messungen, welche bei BESSY durchgeführt wurden, bewiesen, dass Submonolagensensitivität im Vakuum-ultravioletten Spektralbereich mit Hilfe der spektroskopischen Ellipsometrie erreicht und zudem die dielektrische Funktion bestimmt werden kann. Verglichen mit dicken Schichten als Referenz, wurde auf Siliziumsubstraten für Submonolagen eine spektrale Verschiebung der Alq3- and α-NPD-Absorptionsbanden zu höheren Energien beobachtet. Die kleinere Verschiebung, die für Alq3-Submonolagen auf ZnO-Substraten beobachtet wurde, deutet an, dass der Einfluss des Siliziumsubstrates in Betracht gezogen werden muss, wenn man das spektrale Verhalten der Submonolagen erklären will.

The thesis "Anlre resolved dielectric response in carbon nanotubes" is dedicated to expounding the the anisotropy in the fundamental dielectric response of carbon nanotubes. While nanotubes are along their axis essentially planar graphene, the rolled up topology gives rise to entirely new features for perpendicular polarizations.

In this work the molecular growth mode of several organic molecules was studied using a combination of variable angle spectroscopic ellipsometry (VASE) and Infrared spectroscopy (IR) as investigations tools. As organic systems several Phthalocyanine molecules, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA), tris-(8-hydroxyquinoline)-aluminum(III) (Alq3) / N,N’-Di-[(1-naphthyl)-N,N’-diphenyl]-(1,1’-biphenyl)-4,4’-diamine (a-NPD) were investigated. The ordered growth of the Pcs and PTCDA and their intrinsic optical anisotropy of their planar molecular structure give rise to highly anisotropic layers. In contrast with the planar molecules, Alq3 and a-NPD form homogenous isotropic films with a very low surface roughness. As a non-destructive and very surface sensitive technique, ellipsometry allows the thickness, the surface roughness and optical constants to be accurately determined. From the strong in-plane /out-of-plane anisotropy of the dielectric function the average molecular orientation angle of the Pc’s molecules was determined. The knowledge of the molecular orientation combined with the information accessible from the shape of the Q-band of the Pc can provide an insightful picture of the molecular growth. While the Pc layers grown on HV condition grow with the b-axis (stacking axis) perpendicular to the substrate and F16PcVO lies on the KBr substrates, the Pc samples prepared in UHV adopt a parallel to the substrate b-axis configuration. These results were confirmed by reflection IR measurements performed in s and p polarization. The ellipsometric studies on heterostructures proved that PTCDA has a template effect on the Pc growth and the interaction between this two molecules affects the optical response at the interfaces. In contrast with this system where rough interfaces were assumed in the model, the combination Alq3 / a-NPD gives sharp optical interfaces. The in-situ measurements performed at BESSY proved that sub-monolayer sensitivity can be achieved in the VUV range using spectroscopic ellipsometry and moreover the dielectric function of these ultra-thin films can be determined. A spectral shift towards higher energies of the Alq3 and a-NPD features was observed for sub-monolayers on silicon substrate when compared with the bulk reference. The smaller shift observed for the Alq3 sub-monolayers on ZnO substrate indicate that the effect of the silicon substrate has to be taken into account when explaining the spectral behaviour of the sub-monolayers. / In dieser Arbeit wurde das Wachstum von organischen Molekülschichten mit Hilfe einer Kombination aus spektroskopischer Ellipsometrie mit variablem Einfallswinkel "Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry (VASE)" und Infrarotspektroskopie (IR) untersucht. Als organische Systeme wurden verschiedene Phthalocyaninmoleküle (Pc), 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Dianhydrid (PTCDA) und tris-(8-hydroxochinolin)-Aluminium(III) (Alq3) / N,N’-Di-[(1-naphthyl)-N,N’-diphenyl]-(1,1’-biphenyl)-4,4’-diamin (α-NPD) betrachtet. Das geordnete Wachstum der Pcs und von PTCDA führt, bedingt durch die intrinsische optische Anisotropie der planaren organischen Moleküle, zu hochgradig anisotropen Schichten. Im Gegensatz zu den planaren Molekülen bilden Alq3 und α-NPD homogene isotrope Filme mit einer sehr geringen Oberflächenrauigkeit aus. Als eine nicht destruktive und sehr oberflächensensitive Technik, erlaubt es die Ellipsometrie, die Dicke, die Oberflächenrauigkeit und die optischen Konstanten genau zu bestimmen. Aus der starken in-plane / out-of-plane Anisotropie der dielektrischen Funktion wurde der mittlere molekulare Orientierungswinkel der Pc-Moleküle bestimmt. Die Kenntnis der molekularen Orientierung, verknüpft mit der in der Form des Q-Bandes der Pc-Moleküle enthaltenen Information, gewährt Einblick in das molekulare Wachstumsverhalten. Während die Pc-Schichten unter Hochvakuumbedingungen mit der b-Achse (Stapelachse) senkrecht zum Substrat wachsen und F16PcVO sich flach auf die KBr-Substrate legt, nehmen die unter Ultrahochvakuumbedingungen hergestellten Pc-Proben eine parallel zum Substrat liegende b-Achsenanordnung ein. Diese Ergebnisse wurden mit IR-Messungen bestätigt, welche in s- und p-Polarisation durchgeführt wurden. Die ellipsometrischen Untersuchungen an Heterostrukturen haben bewiesen, dass PTCDA einen Template-Effekt auf das Wachstum der aufwachsenden Pc-Schicht hat und dass die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Molekülen die Reaktion an der Grenzflächenschicht beeinflusst. Im Gegensatz zu diesem System, bei dem raue Grenzflächen im Modell verwendet wurden, ergibt die Kombination Alq3 / α-NPD scharfe Grenzflächen. Die in-situ-Messungen, welche bei BESSY durchgeführt wurden, bewiesen, dass Submonolagensensitivität im Vakuum-ultravioletten Spektralbereich mit Hilfe der spektroskopischen Ellipsometrie erreicht und zudem die dielektrische Funktion bestimmt werden kann. Verglichen mit dicken Schichten als Referenz, wurde auf Siliziumsubstraten für Submonolagen eine spektrale Verschiebung der Alq3- and α-NPD-Absorptionsbanden zu höheren Energien beobachtet. Die kleinere Verschiebung, die für Alq3-Submonolagen auf ZnO-Substraten beobachtet wurde, deutet an, dass der Einfluss des Siliziumsubstrates in Betracht gezogen werden muss, wenn man das spektrale Verhalten der Submonolagen erklären will.

An optical surface roughness model is presented, which allows a reliable determination of the dielectric function of thin films with high surface roughnesses of more than 10 nm peak to valley distance by means of spectroscopic ellipsometry. Starting from histogram evaluation of atomic force microscopy (AFM) topography measurements a specific roughness layer (RL) model was developed for an organic thin film grown in vacuum which is well suited as an example. Theoretical description based on counting statistics allows generalizing the RL model developed to be used for all non-conducting materials. Finally, a direct input of root mean square (RMS) values found by AFM measurements into the proposed model is presented, which is important for complex ellipsometric evaluation models where a reduction of the amount of unknown parameters can be crucial. Exemplarily, the evaluation of a N,N’-dimethoxyethyl-3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic-diimide (DiMethoxyethyl-PTCDI) film is presented, which exhibits a very high surface roughness, i.e. showing no homogeneous film at all.

In der Arbeit wurden sowohl optische, als auch Schwingungs- und Struktur-Eigenschaften poröser Strukturen auf der Basis von n-GaP, n-GaAs und n-InP mit Hilfe der Raman- und FTIR- Spektroskopie untersucht. Speziell den in polaren Materialien auftretenden Fröhlich-Moden wurde dabei besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Es wurden experimentelle Ergebnisse theoretischen Modellen auf der Basis der Effektiven Medien Theorie gegenübergestellt. Die Ergebnisse sollen helfen, Grundkenntnisse über die Eigenschaften poröser Halbleiterstrukturen zu gewinnen, um zum einen Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen und zum anderen das theoretische Modell zur Beschreibung heterogener Medien zu vervollkommnen.

In der Arbeit wurden sowohl optische, als auch Schwingungs- und Struktur-Eigenschaften poröser Strukturen auf der Basis von n-GaP, n-GaAs und n-InP mit Hilfe der Raman- und FTIR- Spektroskopie untersucht. Speziell den in polaren Materialien auftretenden Fröhlich-Moden wurde dabei besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Es wurden experimentelle Ergebnisse theoretischen Modellen auf der Basis der Effektiven Medien Theorie gegenübergestellt. Die Ergebnisse sollen helfen, Grundkenntnisse über die Eigenschaften poröser Halbleiterstrukturen zu gewinnen, um zum einen Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen und zum anderen das theoretische Modell zur Beschreibung heterogener Medien zu vervollkommnen.

Although amorphous dielectrics feature localized states in the conduction band, electrons excited by highly intense laser radiation are usually considered as nearly free. However, localized or nearly free electrons would result in significantly different optical properties of the material. Therefore, this thesis investigates the transient complex refractive index of amorphous fused silica during the interaction with ultrashort pulsed laser radiation by applying spectroscopic imaging pump-probe ellipsometry. A Drude model, describing the excited electrons as a nearly free electron gas, and a Lorentz model, which considers the excited electrons as bound in localized states, are then approximated to the measured transient complex refractive index. The Lorentz model replicates the experimental data very well in the considered temporal range up to 200 fs after irradiation, whereas the Drude model significantly differs. Hence, the electrons are excited into localized states first, and are not describable as nearly free upon irradiation. / Obwohl amorphe Dielektrika lokalisierte Zustände im Leitungsband aufweisen, werden Elektronen, die durch hoch intensive Laserstrahlung angeregt werden, üblicherweise als quasifrei betrachtet. Im Gegensatz zu quasifreien Elektronen würden lokalisierte Elektronen jedoch zu deutlich anderen transienten optischen Eigenschaften des Materials führen. Daher wird in dieser Arbeit der transiente komplexe Brechungsindex von amorphem Quarzglas während der Wechselwirkung mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung mittels spektroskopischer, abbildender Pump-Probe Ellipsometrie untersucht. Jeweils ein Drude-Modell, das die angeregten Elektronen als ein quasifreies Elektronengas beschreibt, und ein Lorentz-Modell, welches die angeregten Elektronen als in lokalisierten Zuständen gebunden betrachtet, werden anschließend mit dem gemessenen transienten komplexen Brechungsindex verglichen. Das Lorentz-Modell repliziert die experimentellen Daten im betrachteten Zeitbereich bis zu 200 fs nach der Bestrahlung sehr gut, während das Drude-Modell deutlich abweicht. Demnach werden die Elektronen zunächst in lokalisierte Zustände angeregt und können während und kurz nach der Bestrahlung nicht als quasifrei beschrieben werden.