The setup of a 1D – Hydraulic Model based on available data shall support the development of the distributed catchment model for mountainous catchments in the Batinah Region (Sultanate of Oman). The main task of this study project is Model setup for Al-Awabi watershed area: This comprises calculation of sub watersheds and channel network using ArcGIS for a selected watershed based on ASTER-DEM (27X27m); derivation of cross-section at decisive stations of the longitudinal sections based on ASTER-DEM (27x27m), satellite images and Russian topographic maps; and Setup of 1D-hydraulic model i.e. MIKE 11 HD. This study is conducted at the mountainous catchment part of Batinah Region of the Sultanate of Oman called Al-Awabi watershed which is about 260km2 in area; four sub-watersheds in the Al-Awabi watershed are selected for analyses with channel lengths of 11, 6, 4 and 7 km. Channel cross-sections are the main input to the 1D-Hydraulic Model set up of the Al-Awabi watershed. As field measurements of the Wadi channel cross-sections are labor intensive and expensive activities, availability of measured channel cross-sections is barely found in this study area region of Batinah, Oman; thereby making it difficult to set up the 1D-Hydraulic model i.e. MIKE 11 HD. Hence, a methodology for extracting the channel cross-sections from ASTER DEM (27mX27m) and other relevant topographic maps are used in this study area. Also, observed Wadi-runoff events within the watershed were extracted so as to assess the Al-Awabi watershed. Furthermore, it had been observed that the MIKE 11 system results can provide helpful information about Flood Risk Management and should be useful in assigning priority for the development of risk area map for flood control plans and countermeasures for the settlements and inhabitants located right along the main channel within the watershed, and for that of Awabi town located just downstream of the Al-Awabi watershed outlet. But, an improved and well developed rainfall forecasting system could be worthwhile and more feasible for the flash flood routing analysis in arid areas such as this study area; hence MIKE NAM is recommendable instead of running MIKE 11 which requires discharge and/or water level as a basis for simulation of the flash flood. The performance of the calibrated 1D-Hydraulic Model i.e. MIKE 11 HD was assessed and validated to simulate the flash flood at different cross-sections of the channel reaches within the Al-Awabi watershed area. And from this study, although there are a major gap and problems in data as well as in the prevailing topography, slope and other HD parameters, it was concluded that the 1D-Hydraulic Model set up work, MIKE 11, can be applied for the Al-Awabi watershed.:Executive Summary 1 Zusammenfassung 2 1 Introduction 4 1.1 Research Objectives 4 1.2 Overview of Relevant Literature Review 4 1.2.1 Flood Routing 4 1.2.2 MIKE 11 Hydrodynamic Model 5 2 Study Area and data 5 2.1 Study area 5 2.1.1 Target Watershed Area 6 2.2 Data 8 3 Model Set up of Al-Awabi Watershed 12 3.1 Model Research Methodology 12 3.2 Discussion of Findings 12 3.2.1 Channel Geometry Realization from Google Earth and Russian Map 14 3.2.2 MIKE 11 Hydro Dynamic Modules 15 4 Discussion 17 Bibliography 19 List of Figures 20 List of Tables 20 Acknowledgments 21 / Die Entwicklung eines Einzugsgebietsmodels für die Batinah Region im Sultanate Oman soll durch den Aufbau eines eindimensionalen hydraulischen Models, basierend auf vor Ort verfügbaren Daten, unterstützt werden. Dieser Beleg fokussiert die Einrichtung eines hydraulischen Models für das Al-Awabi Einzugsgebiet. Dies umfasste zunächst die Ableitung von Teileinzugsgebieten und des Wassernetzes mithilfe von ArcGIS für die Untersuchungsregion. Grundlage bildete ein ASTER-DEM (27x27m). Desweiteren wurden Querprofile entlang des Gewässerlaufes an zuvor definierten Punkten, basierend auf ASTER-Daten, Satellitenbilder und Russischen Geländekarten, abgeleitet. Darauf folgte abschließend der Aufbau eines eindimensionalen hydraulischen Models mit MIKE 11 HD. Betrachtungsgegenstand war das bergige Einzugsgebiet Al-Awabi als Teil der Batinah Region im Sultanat Oman. Das Untersuchungsgebiet hat eine Ausdehnung von etwa 260km². Für genauere Analyse wurden vier Teileinzugsgebiete ausgewählt mit Gerinnelängen von jeweils 11, 6, 4 und 7km. Querschnittsprofile innerhalb dieser Einzugsgebiete bildeten die Informationsquelle für das Model. Da aus zeit- und arbeitstechnischen Gründen Feldmessungen im Untersuchungsgebiet zu den Profilen nicht möglich waren und auch nicht auf bereits vorhandene Messungen zurück gegriffen werden konnte, war ein Modelaufbau nicht ohne weiteres möglich. Daher wurden die benötigten Fließquerschnitten aus dem ASTER-DEM und anderen relevanten topographischen Karten abgeleitet. Ferner wurden für den Modelaufbau nur markante Durchflussereignisse verwendet, die am Pegel Al-Awabi vergezeichnet wurden. Es ist darauf hinzuweisen, dass die mit MIKE 11 erzielten Ergebnisse beim Aufbau eines Hochwasserrisikomanagements Verwendung finden können. Besonders für die Ableitung von Gefahrenkarten sind diese Informationen wichtig, um beispielsweise Prioritäten in Notfallplänen festzulegen und Maßnahmenkataloge für die lokale Bevölkerung zu entwickeln. Potentiale sind in Bezug auf den Aufbau eines Vorhersagesystems zu sehen, dass geeignet für die Analyse von Sturzflut in ariden Regionen, ähnlich dem Untersuchungsgebiet, genutzt werden könnte. MIKE NAM ist geeigneter als MIKE 11 für Analysen dieser Art, benötigt aber genauere Informationen zu Durchfluss bzw. Wasserstand. Das Model wurde kalibriert und validiert um Stutzfluten an verschiedenen Querschnitten des Flussbettes zu simulieren. Obwohl große Lücken in der Datengrundlage vorlagen und Probleme bei der Definition von hydraulischen Parametern auftraten, war es möglich ein eindimensionales hydraulisches Model für das Al-Awabi Einzugsgebiet aufzubauen.:Executive Summary 1 Zusammenfassung 2 1 Introduction 4 1.1 Research Objectives 4 1.2 Overview of Relevant Literature Review 4 1.2.1 Flood Routing 4 1.2.2 MIKE 11 Hydrodynamic Model 5 2 Study Area and data 5 2.1 Study area 5 2.1.1 Target Watershed Area 6 2.2 Data 8 3 Model Set up of Al-Awabi Watershed 12 3.1 Model Research Methodology 12 3.2 Discussion of Findings 12 3.2.1 Channel Geometry Realization from Google Earth and Russian Map 14 3.2.2 MIKE 11 Hydro Dynamic Modules 15 4 Discussion 17 Bibliography 19 List of Figures 20 List of Tables 20 Acknowledgments 21

In dieser Arbeit wurden elektronische Transporteigenschaften ungeordneter metallischer und isolierender Materialien untersucht. Es wurde gezeigt, dass die zugrunde liegende Vielfachstreumethode für Schichten (LKKR) auch auf isolierende Materialien angewendet werden kann. Als isolierendes Material wurde amorphes Silizium gewählt. Für die Strukturmodellierung wurde ein spezieller RMC-Algorithmus für Netzwerke entwickelt. Um eine Lücke in der elektronischen Zustandsdichte zu erhalten, wurden diese Strukturen anschließend mit einer MD-Methode relaxiert. Zur Charakterisierung der dabei auftretenden mittelreichweitigen Strukturänderungen wurde ein analytisches Modell des Strukturfaktors aufgestellt. Die Verbindung zwischen elektronischen und strukturellen Defekten beim Übergang von den metallischen Ausgangsnetzwerken zu den isolierenden amorphen Siliziumstrukturen wurde untersucht. Die Winkelschwankung, unterkoordinierte Siliziumatome und ein spezieller topologischer Defekt wurden als Ursache für elektronische Defekte bei der Fermienergie identifiziert. Für die Widerstandsberechnung wurde vom Stromfluss durch einen quasi-eindimensionalen Draht ausgegangen (Landauer-Büttiker-Ansatz). Für ein stark streuendes Modellsystem (amorphes Eisen) wurde gezeigt, dass dieser Ansatz auch bei kohärenter Vielfachstreuung einen längenproportionalen Widerstand für kleine Drahtlängen liefert. Für metallische Materialien kann die Leitfähigkeit aus der Längenabhängigkeit des Drahtwiderstandes bestimmt werden. Zwei Erweiterungen dieses Landauer-Büttiker-Ansatzes für eine unvollständige Berechnung der kohärenten Streuung wurden in dieser Arbeit abgeleitet. Der direkte Einfluss der Struktur für schwache Streuer wurde in Einfachstreunäherung untersucht. Im Grenzfall eines Mediums führt die abgeleitete Leitwertformel auf die Zimanformel für den spezifischen Widerstand. Die Widerstandsberechnung wurde außerdem auf inkohärente Streuung erweitert, so dass auch für isolierende Materialien eine Leitfähigkeit bestimmt werden kann. Im Gegensatz zu ungeordneten Metallen verschwindet die Leitfähigkeit bei verschwindender inkohärenter Streuung, so dass metallische und isolierende Materialien unterschieden werden können. Der unordnungsinduzierte Metall-Isolator-Übergang (Anderson-Übergang) wurde für amorphes Nickelsilizid betrachtet. %Die bestimmte kritische Nickelkonzentration liegt wegen der %im Vergleich zu amorphen Silizium fehlenden Relaxierung der Strukturen %unterhalb experimenteller Werte. Wegen des geringen Querschnitts der Drähte tritt metallisches und isolierendes Verhalten parallel auf. Die notwendige Mittelung führt zu einer abnehmenden Leitfähigkeit bei abnehmender inkohärenter Streuung auch für metallische Proben. Dieses Verhalten wird in dreidimensionalen Systemen mit schwacher Lokalisierung in Verbindung gebracht.

Die magnetischen Eigenschaften von Li2CuO2 sind seit mehr als zwei Jahrzehnten Gegenstand theoretischen und experimentellen Interesses. Über die genaue Natur der magnetischen Wechselwirkungen in diesem Isolator konnte jedoch keine Einigkeit erzielt werden. Während das Material von Seiten theoretischer Untersuchungen als quasi-eindimensionaler Magnet mit starken ferromagnetischen Kopplungen entlang der Kette verstanden wurde, legten experimentelle Studien dominierende dreidimensionale Zwischenkettenkopplungen nahe. Im Rahmen dieser Dissertation werden auf der Grundlage von Untersuchungen des magnetischen Anregungsspektrums mittels inelastischer Neutronenstreuung und dessen Analyse innerhalb eines Spinwellenmodels die führenden magnetischen Wechselwirkungen in Li2CuO2 bestimmt. Es wird zweifelsfrei nachgewiesen, dass das Material eine quasi-eindimensionale Spinkettenverbindung darstellt. Insbesondere kann die Konkurrenz von ferro- und antiferromagnetischen Wechselwirkungen entlang der Ketten nachgewiesen werden. Die Anwendbarkeit einer Spinwellenanalyse dieses niedrigdimensionalen Spin-1=2 Systems wird gezeigt. Das magnetische Phasendiagramm wird mittels Messungen von spezifischer Wärme, thermischer Ausdehnung und Magnetostriktion sowie der Magnetisierung in statischen und gepulsten Magnetfeldern untersucht und im Bezug auf die Austauschwechselwirkungen diskutiert. Aufgrund seiner einfachen kristallographischen und magnetischen Struktur stellt Li2CuO2 ein potentiell wertvolles Modellsystem in der Klasse der Spinkettenverbindungen mit konkurrierenden ferro- und antiferromagnetischen Wechselwirkungen dar. / The magnetic properties of Li2CuO2 have attracted interest since more than two decades, both in theory and experiment. Despite these efforts, the precise nature of the magnetic interactions in this insulator remained an issue of controversial debate. From theoretical studies, the compound was understood as a quasi-one-dimensional magnet with strong ferromagnetic interactions along the chain, while in contrast, experimentally studies suggested dominant three-dimensional inter-chain interactions. In this thesis, the leading magnetic exchange interactions of Li2CuO2 are determined on the basis of a detailed inelastic neutron scattering study of the magnetic excitation spectrum, analyzed within spin-wave theory. It is unequivocally shown, that the material represents a quasi-one-dimensional spin-chain compound. In particular, the competition of ferro- and antiferromagnetic interactions in the chain has been evidenced. The applicability of a spin-wave model for analysis of this low-dimensional spin-1=2 system is shown. The magnetic phase diagram of Li2CuO2 is studied by specific heat, thermal expansion and magnetostriction measurements as well as magnetization measurements in both static and pulsed magnetic fifields. The phase diagram is discussed with respect to the exchange interactions. With its simple crystallographic and magnetic structure, Li2CuO2 may serve as a worthwhile model system in the class of spin-chain compounds with competing ferromagnetic and antiferromagnetic interactions.

Die magnetischen Eigenschaften von Li2CuO2 sind seit mehr als zwei Jahrzehnten Gegenstand theoretischen und experimentellen Interesses. Über die genaue Natur der magnetischen Wechselwirkungen in diesem Isolator konnte jedoch keine Einigkeit erzielt werden. Während das Material von Seiten theoretischer Untersuchungen als quasi-eindimensionaler Magnet mit starken ferromagnetischen Kopplungen entlang der Kette verstanden wurde, legten experimentelle Studien dominierende dreidimensionale Zwischenkettenkopplungen nahe. Im Rahmen dieser Dissertation werden auf der Grundlage von Untersuchungen des magnetischen Anregungsspektrums mittels inelastischer Neutronenstreuung und dessen Analyse innerhalb eines Spinwellenmodels die führenden magnetischen Wechselwirkungen in Li2CuO2 bestimmt. Es wird zweifelsfrei nachgewiesen, dass das Material eine quasi-eindimensionale Spinkettenverbindung darstellt. Insbesondere kann die Konkurrenz von ferro- und antiferromagnetischen Wechselwirkungen entlang der Ketten nachgewiesen werden. Die Anwendbarkeit einer Spinwellenanalyse dieses niedrigdimensionalen Spin-1=2 Systems wird gezeigt. Das magnetische Phasendiagramm wird mittels Messungen von spezifischer Wärme, thermischer Ausdehnung und Magnetostriktion sowie der Magnetisierung in statischen und gepulsten Magnetfeldern untersucht und im Bezug auf die Austauschwechselwirkungen diskutiert. Aufgrund seiner einfachen kristallographischen und magnetischen Struktur stellt Li2CuO2 ein potentiell wertvolles Modellsystem in der Klasse der Spinkettenverbindungen mit konkurrierenden ferro- und antiferromagnetischen Wechselwirkungen dar.:1. Motivation 9 I. Introduction 13 2. Li2CuO2 15 2.1. ... as a cuprate 15 2.2. ... as a quasi-one dimensional magnet 17 2.3. Literature review on magnetic properties 21 2.3.1. Crystallographic structure 21 2.3.2. Magnetic structure and magnetic properties 21 3. Employed experimental techniques 25 3.1. Thermodynamic studies 25 3.2. Inelastic magnetic neutron scattering 28 4. Sample properties and characterization 33 4.1. A sample for INS 33 4.2. Crystal growth and characterization 36 II. Inelastic neutron scattering studies 41 5. Magnon excitations & spin-wave analysis 43 5.1. Linear spin-wave model 44 5.2. Experimental setup 46 5.3. Magnon dispersion for q || b* 46 5.3.1. Thermal neutrons 46 5.3.2. Cold neutrons 49 5.4. Magnon dispersion for q b* 52 5.5. Magnon dispersion at the zone boundary 55 5.6. Spin-wave analysis 58 5.7. Frustration of inter-chain couplings 64 6. Low energy excitations 69 III. Studies on thermodynamic properties 79 7. The magnetic phase diagram 81 7.1. High temperature short range order 83 7.2. The antiferromagnetic phase 85 7.3. The meta-magnetic transition and intermediate phase 88 7.4. Low temperature anomalies 93 7.4.1. Weak ferromagnetism 94 7.4.2. Anomalous magnetization at low T 100 8. Magnetization studies 105 8.1. Magnetization M(T) 105 8.2. Magnetization M(H) 110 9. Analysis of the magnetic specific heat 117 9.1. Estimate of phononic specific heat 118 9.2. Fluctuations, correlations near TN 120 9.3. Entropy 124 9.4. Specific heat at low temperature 129 10. Magneto-elastic coupling 133 10.1. Remarks on the measurement setup 133 10.2. Uniaxial pressure dependence of TN 135 10.3. Exploration of the easy axis magnetic phase diagram 139 10.3.1. Low temperature magnetostriction 139 10.3.2. Comprehensive survey of thermal expansion and magnetostriction data 141 10.3.3. A phenomenological model 146 10.4. Thermal expansion in magnetic fifields along the hard axes 150 IV. Conclusion 153 11.Summary and Outlook 155 V. Appendix 159 A. Supplementary data 161 A.1. Excitation spectrum in applied magnetic fifield 161 A.2. Low temperature specific heat 163 A.3. Pressure dependence of TN for H||a = 12T 163 A.4. Pressure dependence of magnetization 164 Bibliography 180 / The magnetic properties of Li2CuO2 have attracted interest since more than two decades, both in theory and experiment. Despite these efforts, the precise nature of the magnetic interactions in this insulator remained an issue of controversial debate. From theoretical studies, the compound was understood as a quasi-one-dimensional magnet with strong ferromagnetic interactions along the chain, while in contrast, experimentally studies suggested dominant three-dimensional inter-chain interactions. In this thesis, the leading magnetic exchange interactions of Li2CuO2 are determined on the basis of a detailed inelastic neutron scattering study of the magnetic excitation spectrum, analyzed within spin-wave theory. It is unequivocally shown, that the material represents a quasi-one-dimensional spin-chain compound. In particular, the competition of ferro- and antiferromagnetic interactions in the chain has been evidenced. The applicability of a spin-wave model for analysis of this low-dimensional spin-1=2 system is shown. The magnetic phase diagram of Li2CuO2 is studied by specific heat, thermal expansion and magnetostriction measurements as well as magnetization measurements in both static and pulsed magnetic fifields. The phase diagram is discussed with respect to the exchange interactions. With its simple crystallographic and magnetic structure, Li2CuO2 may serve as a worthwhile model system in the class of spin-chain compounds with competing ferromagnetic and antiferromagnetic interactions.:1. Motivation 9 I. Introduction 13 2. Li2CuO2 15 2.1. ... as a cuprate 15 2.2. ... as a quasi-one dimensional magnet 17 2.3. Literature review on magnetic properties 21 2.3.1. Crystallographic structure 21 2.3.2. Magnetic structure and magnetic properties 21 3. Employed experimental techniques 25 3.1. Thermodynamic studies 25 3.2. Inelastic magnetic neutron scattering 28 4. Sample properties and characterization 33 4.1. A sample for INS 33 4.2. Crystal growth and characterization 36 II. Inelastic neutron scattering studies 41 5. Magnon excitations & spin-wave analysis 43 5.1. Linear spin-wave model 44 5.2. Experimental setup 46 5.3. Magnon dispersion for q || b* 46 5.3.1. Thermal neutrons 46 5.3.2. Cold neutrons 49 5.4. Magnon dispersion for q b* 52 5.5. Magnon dispersion at the zone boundary 55 5.6. Spin-wave analysis 58 5.7. Frustration of inter-chain couplings 64 6. Low energy excitations 69 III. Studies on thermodynamic properties 79 7. The magnetic phase diagram 81 7.1. High temperature short range order 83 7.2. The antiferromagnetic phase 85 7.3. The meta-magnetic transition and intermediate phase 88 7.4. Low temperature anomalies 93 7.4.1. Weak ferromagnetism 94 7.4.2. Anomalous magnetization at low T 100 8. Magnetization studies 105 8.1. Magnetization M(T) 105 8.2. Magnetization M(H) 110 9. Analysis of the magnetic specific heat 117 9.1. Estimate of phononic specific heat 118 9.2. Fluctuations, correlations near TN 120 9.3. Entropy 124 9.4. Specific heat at low temperature 129 10. Magneto-elastic coupling 133 10.1. Remarks on the measurement setup 133 10.2. Uniaxial pressure dependence of TN 135 10.3. Exploration of the easy axis magnetic phase diagram 139 10.3.1. Low temperature magnetostriction 139 10.3.2. Comprehensive survey of thermal expansion and magnetostriction data 141 10.3.3. A phenomenological model 146 10.4. Thermal expansion in magnetic fifields along the hard axes 150 IV. Conclusion 153 11.Summary and Outlook 155 V. Appendix 159 A. Supplementary data 161 A.1. Excitation spectrum in applied magnetic fifield 161 A.2. Low temperature specific heat 163 A.3. Pressure dependence of TN for H||a = 12T 163 A.4. Pressure dependence of magnetization 164 Bibliography 180

In dieser Arbeit wurden elektronische Transporteigenschaften ungeordneter metallischer und isolierender Materialien untersucht. Es wurde gezeigt, dass die zugrunde liegende Vielfachstreumethode für Schichten (LKKR) auch auf isolierende Materialien angewendet werden kann. Als isolierendes Material wurde amorphes Silizium gewählt. Für die Strukturmodellierung wurde ein spezieller RMC-Algorithmus für Netzwerke entwickelt. Um eine Lücke in der elektronischen Zustandsdichte zu erhalten, wurden diese Strukturen anschließend mit einer MD-Methode relaxiert. Zur Charakterisierung der dabei auftretenden mittelreichweitigen Strukturänderungen wurde ein analytisches Modell des Strukturfaktors aufgestellt. Die Verbindung zwischen elektronischen und strukturellen Defekten beim Übergang von den metallischen Ausgangsnetzwerken zu den isolierenden amorphen Siliziumstrukturen wurde untersucht. Die Winkelschwankung, unterkoordinierte Siliziumatome und ein spezieller topologischer Defekt wurden als Ursache für elektronische Defekte bei der Fermienergie identifiziert. Für die Widerstandsberechnung wurde vom Stromfluss durch einen quasi-eindimensionalen Draht ausgegangen (Landauer-Büttiker-Ansatz). Für ein stark streuendes Modellsystem (amorphes Eisen) wurde gezeigt, dass dieser Ansatz auch bei kohärenter Vielfachstreuung einen längenproportionalen Widerstand für kleine Drahtlängen liefert. Für metallische Materialien kann die Leitfähigkeit aus der Längenabhängigkeit des Drahtwiderstandes bestimmt werden. Zwei Erweiterungen dieses Landauer-Büttiker-Ansatzes für eine unvollständige Berechnung der kohärenten Streuung wurden in dieser Arbeit abgeleitet. Der direkte Einfluss der Struktur für schwache Streuer wurde in Einfachstreunäherung untersucht. Im Grenzfall eines Mediums führt die abgeleitete Leitwertformel auf die Zimanformel für den spezifischen Widerstand. Die Widerstandsberechnung wurde außerdem auf inkohärente Streuung erweitert, so dass auch für isolierende Materialien eine Leitfähigkeit bestimmt werden kann. Im Gegensatz zu ungeordneten Metallen verschwindet die Leitfähigkeit bei verschwindender inkohärenter Streuung, so dass metallische und isolierende Materialien unterschieden werden können. Der unordnungsinduzierte Metall-Isolator-Übergang (Anderson-Übergang) wurde für amorphes Nickelsilizid betrachtet. %Die bestimmte kritische Nickelkonzentration liegt wegen der %im Vergleich zu amorphen Silizium fehlenden Relaxierung der Strukturen %unterhalb experimenteller Werte. Wegen des geringen Querschnitts der Drähte tritt metallisches und isolierendes Verhalten parallel auf. Die notwendige Mittelung führt zu einer abnehmenden Leitfähigkeit bei abnehmender inkohärenter Streuung auch für metallische Proben. Dieses Verhalten wird in dreidimensionalen Systemen mit schwacher Lokalisierung in Verbindung gebracht.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Implementierung eines Algorithmus zur Berechnung des diffusiven elektronischen Transportes durch Kohlenstoffnanoröhrchen-Feldeffekttransistoren (CNTFETs) unter Verwendung des Drift-Diffusions-Modells. Als Grundlage dient ein bekannter, eindimensionaler Algorithmus für klassische Halbleiter, durch welchen das elektrostatische Potential im stationären Zustand berechnet werden kann. Dieser Algorithmus wird erweitert, um die geometrischen und physikalischen Besonderheiten von CNTFETs, insbesondere die Quasi-Eindimensionalität, zu berücksichtigen. Wichtige Kenngrößen des CNTFETs werden berechnet und deren Abhängigkeit von den Bauteilparametern wird untersucht.:1. Einleitung 2. Theoretische Betrachtungen 2.1. Kohlenstoffnanoröhrchen 2.1.1. Graphen als Baustein für CNTs 2.1.2. Eigenschaften von CNTs 2.2. Drift-Diffusions-Modell 2.2.1. Drift-Diffusions-Gleichungen 2.2.2. Kontinuitätsgleichungen 2.2.3. Poisson-Gleichung 3. Implementierung 3.1. Modell für klassische Halbleiter 3.1.1. Herleitung der dimensionslosen Bewegungsgleichungen 3.1.2. Umformung der Drift-Diffusions-Gleichungen 3.1.3. Iterative Lösung des Gleichungssystems 3.2. Anwendung des Modells auf Kohlenstoffnanoröhrchen 3.2.1. Betrachtetes Modell 3.2.2. Separationsansatz und Poisson-Gleichung 3.2.3. Anpassung der Drift-Diffusions-Gleichungen 3.2.4. Gate-Spannung 3.2.5. Intrinsische Ladungsträgerdichte und Ladungsträgerrandbedingungen 3.2.6. Dielektrizität 3.3. Numerik 3.3.1. Berechnung der Ladungsträgerdichten 3.3.2. Lösung der Poisson-Gleichung 3.3.3. Iterative Veränderung von Parameterwerten 3.3.4. Überprüfung der Konvergenz des Gitters 4. Auswertung 4.1. Literaturmodelle 4.2. Ergebnisse 4.2.1. Potentialverlauf 4.2.2. Potentialplateau 4.2.3. Abschirmlänge 4.2.4. Stromfluss 4.2.5. Rechenzeit 5. Zusammenfassung Anhang A. Herleitung der Drift-Diffusions-Gleichungen aus der Boltzmann-Transportgleichung B. Herleitung der eindimensionalen Poisson-Gleichung aus dem Separationsansatz

Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit ultraschnellen Relaxationsprozessen in quasi-eindimensionalen organischen Molekülkristallen. Als Modellsystem wird das Perylenderivat MePTCDI untersucht. Mit verschiedenen Methoden der optischen Ultrakurzzeit-Spektroskopie werden Prozesse der Exzitonen- und Phononenrelaxation in der Zeit-Domäne untersucht. Die dafür aufgebauten Experimente erreichen eine Zeitauflösung von 20 Femtosekunden. Durch optische Anregung der niedrigsten elektronischen Übergänge werden in einem organischen Molekülkristall freie Exzitonen mit Wellenvektor k=0 gebildet. Dabei werden gleichzeitig zahlreiche intramolekulare und intermolekulare Schwingungsfreiheitsgrade angeregt. Die Anregung mit fs-Laserpulsen führt zum Aufbau kohärenter Schwingungswellenpakete. Es werden sowohl hochenergetische Oszillationen intramolekularer Vibrationen beobachtet, als auch erstmalig niedrigenergetische Oszillationen, die von Gittervibrationen (Phononen) stammen. Die kohärenten Vibrationen im elektronischen Grundzustand klingen bei Raumtemperatur im Bereich einiger Pikosekunden ab. Durch die optische Anregung mit fs-Laserpulsen wird nicht nur phononische Kohärenz, sondern auch elektronische Kohärenz der optischen Übergänge induziert. Die elektronische Kohärenz klingt mit der Dephasierungszeit T2 ab. Trotz der hohen Zeitauflösung war es letztendlich nicht möglich, die Dephasierung des niedrigsten exzitonischen Übergangs zeitlich aufzulösen - sie liegt jedoch im Bereich 17fs < T2 < 52fs. Die energetische Relaxation der freien Exzitonen zu den relaxierten, emittierenden Exzitonenzuständen erfolgt mit einer Zeitkonstante von ca. 50fs. Von diesen relaxierten Zuständen erfolgt die energetische Abregung in den elektronischen Grundzustand im ns-Bereich. Im zweiten Teil der Arbeit werden Untersuchungen an selbst-assemblierten Monoschichten (SAM) photochromer Moleküle vorgestellt. Als Modellsystem dienen Azobenzen-funktionalisierte Thiole auf Gold (111). Es konnten hochgeordnete Monoschichten dieser photochromen Moleküle erzielt werden, allerdings sind die bisherigen Schichten aufgrund der dichten Packung nicht photoaktivierbar. Mit Hilfe von Raster-Mikroskopie und Infrarot-Spektroskopie werden diese ultradünnen Schichten strukturell untersucht. Es wird ein kommensurates Wachstum mit zwei Molekülen in der nahezu rechteckigen Einheitszelle beobachtet, wobei die laubbaumförmigen Moleküle nahezu senkrecht auf der Oberfläche stehen. Als weitere Methode wurde die Generation der zweiten Harmonischen (Second Harmonic Generation, SHG) angewendet. Diese Technik eröffnet prinzipiell die Möglichkeit, photostimuliertes Schalten der Schicht zeitaufgelöst zu untersuchen. / The first part of this thesis is devoted to ultrafast relaxation processes in quasi-one-dimensional organic molecular crystals. Crystalline samples of the perylene derivative MePTCDI are employed as a model system. Processes concerning the excitonic and phononic relaxation are investigated in time domain using various experimental techniques of optical ultrafast spectroscopy. The experimental setups attain a time-resolution of 20 femtoseconds. Free excitons at wavevector k=0 are formed in a molecular crystal by optical excitation of the lowest electronic transitions. Thereby, various intramolecular and intermolecular vibrational degrees of freedom are excited simultaneously. The excitation by fs-laser pulses results in the composition of coherent vibrational wave packets. Both, higher-energetic oscillations caused by intramolecular vibrations (internal phonons) and, for the first time in a quasi-one-dimensional organic system, lower-energetic modulations which are related to coherent lattice phonons (external phonons) are observed. The coherence of both types of phonons in the electronic ground state is damped at room temperature within a few ps. Besides phononic coherence, optical excitation by fs-laser pulses additionally induces electronic coherence of the optical transitions. The electronic coherence decays with the dephasing time T2. In spite of the high time-resolution, finally it was not possible to time resolve the dephasing of the lowest excitonic transition - however, we can estimated it to be in the range of 17fs < T2 < 52fs. The energetic relaxation of free excitons to the relaxed, emitting exciton states takes place with a time constant of approx. 50fs. The subsequent energetic relaxation to the electronic ground state occurs on a ns-time scale. In the second part, investigations of self-assembled monolayers (SAM) of photochromic molecules are presented. Azobenzene-functionalized thiols on gold (111) are employed as a model system. Highly ordered monolayers of these photochromic molecules could be realized. However, these layers are not photoactive because of dense packing. By use of scanning tunneling microscopy and infra-red spectroscopy the structural properties of these ultrathin layers are investigated. A commensurate growth, yielding a lattice with two molecules within the nearly rectangular unit cell is observed. The molecules, shaped like a broad-leafed tree, are found to stand nearly upright on the surface. Second harmonic generation (SHG) is applied as another experimental method. This technique allows to time resolve photo-stimulated conformational changes of the layers in principle.

This work offers a concept to predict and comprehend the electronic excited states in regular aggregates formed of quasi-one-dimensional organic materials. The tight face-to-face stacking of the molecules justifies the idealization of the crystals and clusters as weakly interacting stacks with leading effects taking place within the columnar sub-structures. Thus, the concept of the small radius exciton theory in linear molecular chains was adopted to examine the excitonic states. The excited states are composed of molecular excitations and nearest neighbor charge transfer (CT) excitations. We analyzed the structure and properties of the excited states which result from the coupling of Frenkel and CT excitons of arbitrary strength in finite chains with idealized free ends. With the help of a partially analytical approach to determine the excitonic states of mixed Frenkel CT character by introducing a complex wave vector, two main types of states can be distinguished. The majority of states are bulk states with purely imaginary wavevector. The dispersion relation of these state matches exactly the dispersion relation known from the infinite chain. The internal structure of the excitons in infinite chains is directly transferred to the bulk states in finite chains. TAMM-like surface states belong to the second class of states. Owing to the damping mediated by a a non-vanishing real part of the wavevector, the wave function of the surface states is localized at the outermost molecules. The corresponding decay length is exclusively determined by the parameterization of the coupling and is independent of the system size. It can therefore be assigned as a characteristic quantum length which plays a vital role for the understanding of system-dependent behavior of the states. The number and type of surface states occurring is predicted for any arbitrary coupling situation. The different nature of bulk and surface states leads to distinct quantum confinement effects. Two regimes are distinguished. The first regime, the case of weak confinement, is realized if the chain length is larger than the intrinsic length. Both kinds of states arrange with the system size according to their nature. Derived from the excitonic states of the infinite chain, the bulk states preserve their quasi-particle character in these large systems. Considered as a quasi-particle confined in box, they change their energy with the system size according to the particle-in-a-box picture. The surface states do not react to a change of the chain length at all, since effectively only the outermost molecules contribute to the wavefunction. The second regime holds if the states are strongly confined, i.e., the system is smaller than the intrinsic length. Both types of states give up their typical behavior and adopt similar properties. / Diese Arbeit unterbreitet ein Konzept, um elektronische Anregungszustände in Aggregaten quasi-eindimensionaler organischer Materialien vorherzusagen und zu verstehen. Die dichte Packung der Moleküle rechtfertigt die Idealisierung der Kristalle bzw. Cluster als schwach wechselwirkende Stapel, wobei die führenden Effekte innerhalb der Molekülstapel zu erwarten sind. Zur Beschreibung der exzitonischen Zustände wurde das Konzept der 'small radius'-Exzitonen in linearen Molekülketten angewandt. Die elektronischen Zustände sind dabei aus molekularen (Frenkel) und nächsten Nachbarn 'charge-transfer' (CT) Anregungen zusammengesetzt. Die Struktur und Eigenschaften der Zustände wurden für beliebige Kopplungsstärken zwischen Frenkel- und CT Anregungen in Ketten mit idealisierten freien Enden für beliebiger Längen analysiert. Der entwickelte, überwiegend analytische Zugang, welcher auf der Einführung eines komplexen Wellenvektors beruht, ermöglicht die Unterscheidung zweier grundsätzlicher Zustandstypen. Die Mehrheit der Zustände sind Volumenzustände mit rein imaginärem Wellenvektor. Die zugehörige Dispersionsrelation entspricht exakt der Dispersionsrelation der unendlichen Kette mit äquivalenten Kopplungsverhältnissen. Die interne Struktur der Exzitonen der unendlichen Kette wird auf die Volumenzustände der endlichen Kette direkt übertragen. Der zweite grundlegende Zustandstyp umfaßt Tamm-artige Oberflächenzustände. Aufgrund der durch einen nichtverschwindenden reellen Anteil des Wellenvektors hervorgerufenen Dämpfung sind die Wellenfunktionen der Oberflächenzustände an den Randmolekülen lokalisiert. Die entsprechende Dämpfungslänge ist ausschließlich durch die Parametrisierung der Kopplungen bestimmt und ist somit unabhängig von der Kettenlänge. Sie kann daher als intrinische Quantenlänge interpretiert werden, welche von essentieller Bedeutung für das Verständnis systemgrößenabhängigen Verhaltens ist. Sowohl die Anzahl als auch die Art der Oberflächenzustände kann für jede Kopplungssituation vorhergesagt werden. Die unterschiedliche Natur der Volumen- und Oberflächenzustände führt auf ausgeprägte 'Quantum confinement' Effekte. Zwei Regime sind zu unterscheiden. Im Falle des ersten Regimes, dem schwachen 'Confinement', ist die Kettenlänge größer als die intrinsische Länge. Beide Zustandarten reagieren auf eine Veränderung der Kettenlänge gemäß ihrer Natur. Aufgrund ihrer Verwandschaft mit den Bandzuständen der unendlichen Kette bewahren die Volumenzustände ihren Quasiteilchen-Charakter. Aufgefaßt als Quasiteilchen, erfahren sie in endlichen Systemen eine energetische Verschiebung gemäß dem Potentialtopf-Modell. Oberflächenzustände zeigen keine Reaktion auf veränderte Kettenlängen, da effektiv nur die Randmoleküle zur Wellenfunktion beitragen. Es findet ein Übergang zum zweiten Regime (starkes 'Confinement') statt, sobald die Kettenlänge kleiner als intrinsische Quantenlänge wird. Beide Zustandsarten geben ihr typisches Verhalten auf und werden mit abnehmender Kettenlänge zunehmend ähnlicher.

Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit ultraschnellen Relaxationsprozessen in quasi-eindimensionalen organischen Molekülkristallen. Als Modellsystem wird das Perylenderivat MePTCDI untersucht. Mit verschiedenen Methoden der optischen Ultrakurzzeit-Spektroskopie werden Prozesse der Exzitonen- und Phononenrelaxation in der Zeit-Domäne untersucht. Die dafür aufgebauten Experimente erreichen eine Zeitauflösung von 20 Femtosekunden. Durch optische Anregung der niedrigsten elektronischen Übergänge werden in einem organischen Molekülkristall freie Exzitonen mit Wellenvektor k=0 gebildet. Dabei werden gleichzeitig zahlreiche intramolekulare und intermolekulare Schwingungsfreiheitsgrade angeregt. Die Anregung mit fs-Laserpulsen führt zum Aufbau kohärenter Schwingungswellenpakete. Es werden sowohl hochenergetische Oszillationen intramolekularer Vibrationen beobachtet, als auch erstmalig niedrigenergetische Oszillationen, die von Gittervibrationen (Phononen) stammen. Die kohärenten Vibrationen im elektronischen Grundzustand klingen bei Raumtemperatur im Bereich einiger Pikosekunden ab. Durch die optische Anregung mit fs-Laserpulsen wird nicht nur phononische Kohärenz, sondern auch elektronische Kohärenz der optischen Übergänge induziert. Die elektronische Kohärenz klingt mit der Dephasierungszeit T2 ab. Trotz der hohen Zeitauflösung war es letztendlich nicht möglich, die Dephasierung des niedrigsten exzitonischen Übergangs zeitlich aufzulösen - sie liegt jedoch im Bereich 17fs < T2 < 52fs. Die energetische Relaxation der freien Exzitonen zu den relaxierten, emittierenden Exzitonenzuständen erfolgt mit einer Zeitkonstante von ca. 50fs. Von diesen relaxierten Zuständen erfolgt die energetische Abregung in den elektronischen Grundzustand im ns-Bereich. Im zweiten Teil der Arbeit werden Untersuchungen an selbst-assemblierten Monoschichten (SAM) photochromer Moleküle vorgestellt. Als Modellsystem dienen Azobenzen-funktionalisierte Thiole auf Gold (111). Es konnten hochgeordnete Monoschichten dieser photochromen Moleküle erzielt werden, allerdings sind die bisherigen Schichten aufgrund der dichten Packung nicht photoaktivierbar. Mit Hilfe von Raster-Mikroskopie und Infrarot-Spektroskopie werden diese ultradünnen Schichten strukturell untersucht. Es wird ein kommensurates Wachstum mit zwei Molekülen in der nahezu rechteckigen Einheitszelle beobachtet, wobei die laubbaumförmigen Moleküle nahezu senkrecht auf der Oberfläche stehen. Als weitere Methode wurde die Generation der zweiten Harmonischen (Second Harmonic Generation, SHG) angewendet. Diese Technik eröffnet prinzipiell die Möglichkeit, photostimuliertes Schalten der Schicht zeitaufgelöst zu untersuchen. / The first part of this thesis is devoted to ultrafast relaxation processes in quasi-one-dimensional organic molecular crystals. Crystalline samples of the perylene derivative MePTCDI are employed as a model system. Processes concerning the excitonic and phononic relaxation are investigated in time domain using various experimental techniques of optical ultrafast spectroscopy. The experimental setups attain a time-resolution of 20 femtoseconds. Free excitons at wavevector k=0 are formed in a molecular crystal by optical excitation of the lowest electronic transitions. Thereby, various intramolecular and intermolecular vibrational degrees of freedom are excited simultaneously. The excitation by fs-laser pulses results in the composition of coherent vibrational wave packets. Both, higher-energetic oscillations caused by intramolecular vibrations (internal phonons) and, for the first time in a quasi-one-dimensional organic system, lower-energetic modulations which are related to coherent lattice phonons (external phonons) are observed. The coherence of both types of phonons in the electronic ground state is damped at room temperature within a few ps. Besides phononic coherence, optical excitation by fs-laser pulses additionally induces electronic coherence of the optical transitions. The electronic coherence decays with the dephasing time T2. In spite of the high time-resolution, finally it was not possible to time resolve the dephasing of the lowest excitonic transition - however, we can estimated it to be in the range of 17fs < T2 < 52fs. The energetic relaxation of free excitons to the relaxed, emitting exciton states takes place with a time constant of approx. 50fs. The subsequent energetic relaxation to the electronic ground state occurs on a ns-time scale. In the second part, investigations of self-assembled monolayers (SAM) of photochromic molecules are presented. Azobenzene-functionalized thiols on gold (111) are employed as a model system. Highly ordered monolayers of these photochromic molecules could be realized. However, these layers are not photoactive because of dense packing. By use of scanning tunneling microscopy and infra-red spectroscopy the structural properties of these ultrathin layers are investigated. A commensurate growth, yielding a lattice with two molecules within the nearly rectangular unit cell is observed. The molecules, shaped like a broad-leafed tree, are found to stand nearly upright on the surface. Second harmonic generation (SHG) is applied as another experimental method. This technique allows to time resolve photo-stimulated conformational changes of the layers in principle.

Starke elektronische Korrelationen und die daraus resultierenden vielfältigen Phänomenen sind Gegenstand der modernen Festkörperphysik. Solche Korrelationen finden sich in den verschiedensten Systemen vom Isolator über die Halbleiter bis hin zu Metallen. In dieser Arbeit werden die durch Korrelationen hervorgerufenen Phänomene in zwei niederdimensionalen Übergangsmetalloxiden und zwei intermetallischen Verbindungen mithilfe der HF-ESR untersucht. Die Elektronenspin-Resonanz (ESR) nutzt als lokale Messmethode den Spin der Elektronen als Sonde, um die magnetischen Eigenschaften im Umfeld des Elektrons und die Wechselwirkungen (WW) mit anderen Elektronen zu erforschen. Mit stärker werdenden Elektron-Elektron (EE)-Korrelationen kommt es (unter anderem) zu einer Verbreiterung der Resonanz, sodass, um die Resonanz zu beobachten, höhere Frequenzen bzw. größere Felder als in kommerziellen ESR-Spektrometern erreichbar, nötig sind. Mit der in dieser Arbeit genutzten Hochfeld/Hochfrequenz-Elektronenspin-Resonanz (HF-ESR) mit einem frei durchstimmbaren Frequenzbereich von $\nu=\vu{20- 700}{GHz}$ kann speziellen Fragestellungen nachgegangen werden, bei denen die Anregungsenergien im Bereich von $h\nu$ liegen oder Resonanz-Effekte bei hohen Felder beobachtet werden sollen. CaCu$_2$O$_3$ zeigt die gleiche Kristallstruktur wie \chem{SrCu_2O_3}, einem Lehrbuchbeispiel für eine 2-beinige Spin\textfrac{1}{2}-Leiter mit einem nichtmagnetischen Grundzustand und einer großen Spinlücke zum ersten angeregten Zustand. \chem{CaCu_2O_3} zeigt dagegen überraschenderweise einen antiferromagnetischen (AFM) Grundzustand mit einer relativ hohen Übergangstemperatur. Um der Ursache der AFM-Ordnung auf den Grund zu gehen, wurde eine kombinierte Studie der Magnetisierung und der HF-ESR an einer Reihe von Zn-dotierten \chem{CaCu_2O_3} durchgeführt. Im Gegensatz zum Sr-Material sind die \chem{Cu_2O_3}-Leiter-Ebenen durch einen geringeren Sprossenwinkel leicht gewellt, desweiteren zeigt \chem{CaCu_2O_3} eine nichtstöchiometrische Zusammensetzung \chem{Ca_{1- x} Cu_{2+x}O_3}, mit einem Überschuss von Cu von $x\sim 0.16$ im nichtmagnetischen \chem{Cu^{1+}}-Zustand, welches auf Ca-Plätzen sitzt. Wir werden zeigen, dass (i) die Extra-Spins im undotierten Material \emph{nicht} in den Ketten sitzen, sondern auf regelmäßigen Zwischengitterpositionen. Sie rekrutieren sich aus dem überschüssigen \chem{Cu^{1+}}, dessen Position in der Nähe einer O-Fehlstelle instabil wird, sich verschiebt und den Zustand in ein magnetischen \chem{Cu^{2+}} ändert, (ii) dass durch die Position der Extra-Spins eine Kopplung übernächster Spin-Leitern zustande kommt, welche die Frustration der Spin-Leitern aufhebt und einen AFM-Grundzustand mit solch hoher Übergangstemperatur erlaubt und (iii) dass diese Position der Extra-Spins die zusätzliche schwache kommensurable Spinstruktur erklären kann, die im AFM- Zustand neben der inkommensurablen Spinstruktur der Leiter-Spins beobachtet wurde. Das einfach geschichtete Manganat \textbf{LaSrMnO$_4$} ist ein zweidimensionaler Vertreter der Übergangsmetalloxide. In diesem Material gibt es starke Korrelationen zwischen dem orbitalen und dem magnetischen Freiheitsgrad, sodass die AFM-Ordnung unterhalb von $T_N\sim\vu{125}{K}$ mit einer ferro-orbitalen Ordnung der \chem{Mn^{3+}} $3d$-Orbitale einhergeht. Mithilfe der HF-ESR konnte die temperaturabhängige Mischung der $3d$-Orbitale direkt bestimmt und damit die Theorie der ferro-orbitalen Ordnung quantitativ bestätigt werden. Im AFM geordneten Zustand, unterhalb von $T_\text{stat}\sim\vu{40}{K}<T_N$ wurde eine starke feldabhängige Reduktion der Mikrowellen-Transmission beobachtet, deren Frequenzabhängigkeit ein direkter Hinweis auf ferromagnetische (FM) Polaronen ist, die durch die WW von zusätzlichen Ladungsträgern mit den AFM-geordneten Grundspins entstehen. GdNi$_2$B$_2$C Die intermetallische Verbindungen der Nickelborkarbide $R\chem{Ni_2B_2C}$ ($R$ - Seltene Erdmetalle) zogen seit der Entdeckung von Supraleitung in einigen dieser Verbindungen große Aufmerksamkeit auf sich. Sie zeigen hochkomplexe magnetische Phasendiagramme mit einem Wechselspiel zwischen Supraleitung und der damit konkurrierenden AFM-Ordnung mit unterschiedlichsten Spinstrukturen. Ein Grund für diese Komplexität ist die starke magnetische Anisotropie, die durch die Aufspaltung des $J$-Multipletts der $f$-Orbitale der $R$ im Kristallfeld hervorgerufen wird. Das nicht supraleitende \chem{GdNi_2B_2C} erhielt als Modell-System viel Aufmerksamkeit, da \chem{Gd^{3+}} mit einer halbgefüllten $4f$-Schale keine magnetische Anisotropie zeigen sollte. Die vorgestellte ESR-Studie an \chem{GdNi_2B_2C} wird jedoch zeigen, dass dieser vermeintlich reine Spinmagnet eine ungewöhnlich starke magnetische Anisotropie besitzt, die sich auf die hochkomplexe Bandstruktur zurückführen lässt. Das Einbeziehen dieser Resultate in die Modellierung des Systems wird helfen, die Abweichungen zwischen Modell und Realität zu erklären. YbRh$_2$Si$_2$ In diesem schwere-Fermionen-System, indem die magnetischen Yb ($4f$) ein regelmäßiges Kondo-Gitter aufbauen, konkurrieren die EE-WW und die Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-(RKKY)-WW miteinander, sodass in diesem Material durch die Veränderung eines angelegten Magnetfelds $B$ und der Temperatur $T$ der Zustand von einer AFM-Ordnung, zu einem (paramagnetischen) Schweres-Fermion- (LFL) bzw. Nicht-LFL-Verhalten (NFL) eingestellt werden kann. Unterhalb der Kondo-Temperatur führt eine starke Hybridisierung von $4f$-Elektronen mit Leitungselektronen zu einer deutlichen Verbreiterung der ansonsten atomar-scharfen $4f$-Zustände, sodass die Entwicklung einer schmalen Elektronen-Spin-Resonanz im Kondo-Zustand von \chem{YbRh_2Si_2} sehr überraschend war. Da die bisher veröffentlichten ESR-Messungen vollständig im NFL-Bereich lagen, werden in dieser Arbeit HF-ESR-Daten vorgestellt, die einen tieferen Einblick in die Physik dieser Resonanz erlauben, da sie einen $B-T$-Bereich abdecken, in dem ein Übergang zum LFL-Bereich stattfindet. Die gemessenen $B$- und $T$-Abhängigkeiten der ESR-Parameter im NFL- und im LFL-Bereich weisen darauf hin, dass das Resonanz-Phänomen in \chem{YbRh_2Si_2} als Resonanz schwerer Fermionen betrachtet werden muss. / Strong electronic correlation and the resultant phenomena are object of interest in the modern solid state physics. Such correlation can be found in totally different systems from insulators and semiconductors to metals. This thesis presents HF-ESR studies of such phenomena in two low dimensional transition metal oxides and two intermetallic compounds. In ESR the electron spin is used as a local probe to measure the interaction between electrons and the magnetic properties nearby. With increasing electron-electron (EE) interaction the resonance becomes broader, so higher frequencies and higher magnetic fields as usual in commercial available ESR devices are needed to study strong EE interactions. With the used HF-ESR device with a frequency range $\nu=\vu{20-700}{GHz}$ special questions can be investigated where the excitation energies are in the order of $h\nu$ or the resonance effects in high magnetic fields can be explored. \textbf{CaCu$_2$O$_3$} have the same crystal structure as \chem{SrCu_2O_3}, a textbook example for a 2-leg spin-\textfrac{1}{2}-ladder with a nonmagnetic groundstate and a spin gap separating the excited state. Surprisingly \chem{CaCu_2O_3} shows an antiferromagnetic (afm) ground state with a relatively high transition temperature. To get a deeper insight in the unexpected afm ordering a combined magnetization and HF-ESR study was performed on a set of Zn-doped \chem{CaCu_2O_3} samples. Contrary to the Sr-compound in \chem{CaCu_2O_3} the \chem{Cu_2O_3}-ladder-layers are buckled due to a reduced rung angle. Furthermore it is a nonstoichiometric compound \chem{Ca_{1- x} Cu_{2+x}O_{3- \delta}}, with an excess of Cu in the order of $x\sim 0.16$ which is in the nonmagnetic \chem{Cu^{1+}}-state, sitting close to Ca-sites and a deficiency of oxygen $\delta\sim 0.07$. With this study one can show that (i) in the undoped compound the extra-spins, responsible for the magnetic Curie-Weiss-behavior, do not sit in the chains, they are sitting on low-symmetry interstitial sites. They recruit themselves from excess \chem{Cu^{1+}}, where the position becomes unstable close to a O-vacancy so they shift to a interstitial site and become \chem{Cu^{2+}}, (ii) the interstitial site of the extra-spins couple n.n. ladders inside a layer with a direct afm exchange path which lifts the frustration of the spin-ladders so that a afm order with such a high ordering temperature can happen and (iii) the regular interstitial site of the extra-spins explains the weak commensurate spin structure additionally found to the incommensurate spin structure of the ladder-spins in the afm ordered state The single layered manganate \textbf{LaSrMnO$_4$} is a two dimensional member of the transition metal oxides. In this compound a strong correlation between the orbital and magnetic degree of freedom can be found, so that the afm ordering below $T_N\sim\vu{125}{K}$ comes along with a ferro-orbital ordering of the \chem{Mn^{3+}} $3d$-Orbitals. With HF-ESR we have measured the temperature dependent mixing of the $3d$-orbitals and proved quantitatively the theory of ferro-orbital ordering. In the afm ordered state below $T_\text{stat}\sim\vu{40}{K}<T_N$ a strong field dependent decrease of the microwave transmission was observed. The frequency dependence of this phenomena could be explained by ferromagnetic polarons resulting from the interaction of additional charge carriers with the afm ordered spins. \textbf{GdNi$_2$B$_2$C} The intermetallic borocarbides $R\chem{Ni_2B_2C}$ ($R$ - rare earth metal) attract much attention due to the mutual interaction of superconductivity and afm ordering with complex phase diagrams. One reason for this complexity is the strong magnetic anisotropy coming from the splitting of the $J$-multiplets of the $R$'s $f$-orbitals in the crystal field. The nonsuperconducting \chem{GdNi_2B_2C} was widely explored because \chem{Gd^{3+}} with a half filled $4f$-shell should show no anisotropic behavior. The HF-ESR study on this system showed, that the assumed pure spin magnet have a uncommonly strong anisotropy which could be ascribed to a highly complex band structure. Involving this new information will help to adjust the model to the reality. YbRh$_2$Si$_2$ In this heavy fermion system where the magnetic Yb ($4f$) built up a regular Kondo-lattice here is a competition between electron-electron- and the Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-(RKKY) interaction. Thats why in this compound a afm ordered state, a (paramagnetic) heavy fermion (LFL) and a non-Fermi-liquid behavior can be established by changing the magnetic field $B$ and/or the temperature $T$. Below the Kondo-temperature $T^*$ a strong hybridization between the conduction electrons and the $4f$-electrons leads to a strong broadening of the otherwise atomic sharp $4f$-states. Thats why the observation of a small electron spin resonance below $T^*$ was very surprising. Because the yet published ESR-measurements are fully in the NFL-state, we performed HF-ESR measurements to study a $B-T$ area where a NFL-LFL crossover appears to get a deeper inside of the physics behind this resonance. The behavior of the measured $T$- and $B$-dependences indicate that this resonance phenomena in \chem{YbRh_2Si_2} is a resonance of heavy fermions.