In this thesis, we present a detailed investigation of the electronic properties of particular transition-metal dichalcogenides. Applying electron-energy loss spectroscopy, the connection between the negative plasmon dispersion of tantalum diselenide and the occurrence of a charge-density wave state (CDW) in this compound as well as related materials is observed. Our studies include doping experiments with alkali metal addition altering the charge density of the compounds. This is known to suppress the CDW. We show that it further changes the plasmon dispersion from negative to positive slope. To estimate the doping rate of the investigated tantalum diselenide samples, a density functional theory approach is introduced, giving reliable results for a quantitative analysis of our findings. We refer to a theoretical model to describe the connection of the charge ordering and the plasmon dynamics. Investigations of the non-CDW compound niobium disulfide give further insights into the proposed interaction. Experimental results are further evaluated by a Kramers-Kronig-analysis. A structural analysis, by means of elastic electron scattering, shows the CDW to be suppressed upon doping, giving space for an emerging superstructure related to the introduced K atoms. / In der vorliegenden Arbeit wird eine detaillierte Untersuchung der elektronischen Eigenschaften von ausgewählten Übergangsmetall-Dichalcogeniden präsentiert. Unter Anwendung von Elektronenenergieverlust-Spektroskopie wird die Verbindung der negativen Plasmomendispersion in Tantaldiselenid zum Auftreten eines Ladungsdichtewelle-Zustands (CDW) in diesem und in verwandten Materialien untersucht. Die Untersuchungen schließen Dotierungsexperimente mit dem Zusatz von Alkalimetallen ein, die die Ladungsdichte der Proben beeinflussen. Einerseits unterdrückt dies die CDW. Es wird außerdem gezeigt, dass sich der Anstieg der Plasmonendispersion von negativ zu positiv ändert. Ein Dichtefunktional-Theorie-Zugang zur Abschätzung der Dotierungsraten der untersuchten Tantaldiselenid-Proben wird genutzt, um verlässliche Ergebnisse für die quantitative Analyse unserer Messungen zu erhalten. Ein theoretisches Modell wird einbezogen, welches die Verbindung der Ladungsordung zur kollektiven Anregung der Ladungsdichte beschreibt, Untersuchungen der nicht-CDW Substanz Niobdisulfid geben weitere Einblicke in die Verbindung der beiden Phänomene. Die experimentellen Resultate werden weiterhin mit einer Kramers-Kronig-Analyse ausgewertet. Strukturelle Untersuchungen mit elastischer Elektronenstreuung zeigen, wie die CDW unterdrückt wird und einer auftauchenden Überstruktur, verursacht von den interkalierten K-Atomen, Raum gibt.

Hintergrund: Ein sehr häufig in der nuklearmedizinischen Diagnostik genutztes Radionuklid ist 99mTc. Es emittiert Gammastrahlung mit einer relativ niedrigen Energie (140 keV) und hat eine kurze Halbwertszeit von 6 h. Zusätzlich zur Gammastrahlung entstehen bei jedem Zerfall von 99mTc Auger-Elektronen. Diese niederenergetischen Elektronen, sehr kurzer Reichweite verfügen über einen hohen LET und erzeugen somit eine ausreichende Energiedeposition, um direkte DSB zu erzeugen. Bei Untersuchungen zu Chemotoxizität und Radiotoxizität mit Zellexperimenten gilt es eine Vielzahl an verschiedenen Schutzmechanismen, Reparaturmechanismen und Signalkaskaden in Zellen zu beachten, welche häufig noch nicht vollständig erforscht sind. Um das schädigende Potential von unterschiedlichen Substanzen und Strahlenqualitäten auf die DNA zu untersuchen, wurde ein zellfreies System gewählt. Ziel dieser Arbeit war es, neben den Strahlenqualitäten der Alpha-, Beta, Gamma- und Röntgenstrahlung die Auger-Elektronen des 99mTc auf ihr Potential zur Induktion von DNA-Strangbrüchen zu untersuchen. Hierfür stand die Substanz 99mTc-HYNIC-DAPI zur Verfügung, welche 99mTc an das Plasmid binden und somit in direkte DNA-Nähe bringen kann. Material und Methode: Alle Versuche wurden mit dem Plasmid pUC 19, einem künstlich hergestellten, bakteriellen Plasmid mit 2686 Basenpaaren, welches als nackte DNA ohne Proteine vorliegt, durchgeführt. Der Vergleich zwischen bestrahltem Plasmid in Ab- und Anwesenheit des Radikalfängers DMSO gibt Hinweise darauf, ob Strangbrüche direkt induziert oder nach Radikalbildung indirekt erzeugt werden. Bei radikalvermittelter Wirkung verhindert DMSO DNA-Strangbrüche und die ungeschädigte Supercoiled-Plasmid-Konformation bleibt erhalten. Nach Bestrahlung des Plasmids erfolgte der Nachweis von Strangbrüchen mittels Agarose-Gelelektrophorese. Bekommt ein Plasmid Einzel- oder Doppelstrangbrüche, so verändert sich seine Konformation zu einem ringförmigen/open circle (ESB) oder einem linearen Plasmid (DSB). Durch veränderte Laufeigenschaften im Agarosegel sind die verschiedenen Konformationen voneinander trennbar. Nach Anfärben der DNA mit dem Fluoreszenzfarbstoff Ethidiumbromid konnte das fluoreszierende Plasmid fotografiert und die Intensität der Konformationsbanden quantifiziert werden. Ergebnisse: Zuerst wurde die Reproduzierbarkeit der Methodik überprüft und festgestellt, dass eine Korrelation zwischen Plasmidmasse und Fluoreszenzintensität besteht. Anschließend wurde in Vorversuchen gezeigt, dass die Inkubationstemperaturen, pH-Werte und der Radikalfänger DMSO keinen Einfluss auf die Plasmidintegrität haben. Bei Bestrahlung mit Röntgenstrahlung, dem Beta-Strahler 188Re und dem nicht DNA-gebundenen Gamma-Strahler und Auger-Emitter 99mTc konnte mit steigender Dosis eine Zunahme an ESB festgestellt werden. Vergleichsproben mit DMSO zeigten keinen Anstieg von ESB, was auf eine radikalvermittelte 67 DNA-Schädigung mittels Reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) hinweist. Ab einer Energiedosis von ca. 80 Gy konnten nach Bestrahlung mit 188Re und 99mTc zusätzlich zu den ESB auch DSB nachgewiesen werden. DMSO konnte in den Vergleichsproben sowohl die ESB als auch die DSB erfolgreich verhindern. Bei einer sehr hohen Dosis ≥ 600 Gy zeigte DMSO Kapazitätsgrenzen und es konnten nicht mehr alle Strangbrüche verhindert werden. Die Bestrahlung mit dem Alpha-Strahler (hoher LET) 223Ra fügte, im Vergleich zu Strahlung mit niedrigem LET, dem Plasmid überproportional viele DSB zu. Einige dieser DSB konnten nicht durch DMSO verhindert werden, was auf einen direkten DNA-Schaden bzw. eine zu hohe Radikaldichte hinweist. Ein noch stärkerer direkter Effekt konnte beobachtet werden, wenn 99mTc über die Substanz 99mTc-HYNIC-DAPI an DNA gebunden wurde. Dabei konnten schon ab einer Energiedosis von 4 Gy DSB erzeugt werden, welche trotz Radikalfänger nicht verhindert werden konnten. Schlussfolgerung: Dieser bei 99mTc-HYNIC-DAPI beobachtete Effekt wird den Auger-Elektronen zugeschrieben. Aufgrund ihrer kurzen Reichweite und ihres hohen LET sind sie in der Lage direkte DSB zu erzeugen, wenn sie DNA-gebunden sind oder sich in geringem Abstand zur DNA befinden. Die Ergebnisse der Experimente weisen auf ein therapeutisches Potential von 99mTc hin. Weitere Untersuchungen müssen zeigen, ob eine Adressierung von 99mTc an die DNA im Zellkern einer intakten Zelle zu verwirklichen ist und ob DNA-gebundenes 99mTc durch die Energie der Auger-Elektronen den Zelltod herbeiführen kann. Im nächsten Schritt sollte die Erforschung von Trägersubstanzen erfolgen, welche es ermöglichen Auger-Emitter spezifisch an die DNA von Tumorzellen zu koppeln. / Introduction and aim of the study: A radionuclide commonly used in diagnostic nuclear medicine is 99mTc. It emits gamma rays with a relatively low energy (140 keV) and has a short half-time (6h). In addition to gamma rays, 99mTc radiates so called Auger-electrons with low energy, low range and high linear energy transfer. Due to the high-LET Auger-electrons have a sufficient energy deposition to induce direct double-strand breaks to the DNA. In these experiments we used plasmid DNA to evaluate damage induced to biological systems by different chemotoxical substances and radionuclides as well as external radiation. By using plasmids instead of cell cultures we avoid lots of unexplored signal pathways in cells and it is possible to quantify chemotoxical and radiation damage to the DNA. Materials and methods: The double-stranded plasmid pUC 19 with 2686 bp is used in all experiments. It is a synthetically produced bacterial plasmid without any proteins. To distinguish between directly and indirectly (radical induced) induced damage we used the radical scavenger DMSO. Indirectly induced damage via reactive oxygen species (ROS) can be prevented by DMSO. The quantification of supercoiled forms, single strand breaks (SSB) and double strand breaks (DSB) was measured by the method of agarose gel electrophoresis. After the electrophoresis, agarose gels are dyed in ethidium bromide and imaged with a ccd-camera using ultraviolet transillumination. The bands of the different plasmid forms were quantified through the FIJI computer program. Results: First of all a correlation between plasmid mass and fluorescence intensity was shown. In a pretrial no damaging effect to the plasmid from incubation temperature, pH-value and radical scavenger DMSO appeared. Afterwards we examined chemotoxical SnCl2, external x-rays, the alpha emitter 223Ra, the beta emitter 188Re, gamma- and Auger-emitter 99mTc and the DNA-bound 99mTc-HYNIC-DAPI. The radical scavenger DMSO was used to differentiate between indirect (radical induced) and direct DNA-damage. All different radiation qualities showed an increasing DNA-damage with increasing energy dose. For the low-LET radiation qualities like chemotoxical SnCl2, external x-rays, the beta emitter 188Re and not DNA-bound 99mTc, DMSO showed the quality to prevent the damage. After the deposition of an energy dose ≥ 600 Gy DMSO showed a limitation in his scavenger capacity. During radiation with high-LET beams like 223Ra or DNA-bound 99mTc-HYNIC-DAPI DMSO showed less or nearly no ability to prevent DNA-damage. A 4 Gy dose of 99mTc-HYNIC-DAPI was able to induce DSB into the plasmid. These DSB could not be prevented by DMSO. The lower ESB:DSB ratio for high-LET beams also displays that direct damage is more likely to create DSB than indirect damage. Conclusion: In conclusion we can say that DNA-bound 99mTc-HYNIC-DAPI was most appropriate to induce DSB via a direct effect. It was impossible to prevent this damage due to adding the 69 radical scavenger DMSO. We attribute this to low range, low-LET Auger-electrons and suppose that it may be possible to use DNA-bound 99mTc for therapeutic purpose. Further research has to show if 99mTc can be targeted to the DNA of intact cells and if suitable tracers can be found to safely target and kill tumor cells.

In this thesis the charge dynamics of correlated electron systems, in which a metallic phase lies in close proximity to an ordered phase, are investigated by means of angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES). The analysis of the experimental data is complemented by electronic structure calculations within the framework of density functional theory (DFT). First the charge dynamics of the colossal magnetoresistant bilayer manganites are studied. The analysis of the ARPES spectra based on DFT calculations and a Peierls type charge density wave model, suggests that charge, orbital, spin and lattice degrees of freedom conspire to form a fluctuating two dimensional local order that produces a large pseudo gap of about 450 meV in the ferromagnetic metallic phase and that reduces the expected bilayer splitting. Next, the interplay of Kondo physics and (magnetic) order in the heavy fermion superconductor URu2Si2 is investigated. The low energy electronic structure undergoes strong changes at 17.5 K, where a second order phase transition occurs whose phenomenology is well characterized, but whose order parameter could not yet be unambigeously identified. Below THO, non-dispersive quasi particles with a large scattering rate suddenly acquire dispersion and start to hybridize with the conduction band electrons. Simultaniously the scattering rate drops sinificantly and a large portion of the Fermi surface vanishes due to the opening of a gap within the band of heavy quasi particles. The observed behaviour is in stark contrast to conventional heavy fermion systems where the onset of hybridization between localized and itinerant carriers happens in a crossover type transition rather than abruptly. These experimental results suggest that Kondo screening and the hidden order parameter work together to produce the unusual thermodynamic signatures observed in this compound. Finally, the influence of charge doping and impurity scattering on the superconducting porperties of the transition metal substituted iron pnictide superconductor Ba(Fe1-xTMx)2As2 (TM = Co, Ni) is studied. Here, resonant soft X-ray ARPES is applied to see element selective the contribution of the 3d states of the TM substitute to the Fe 3d host bands. The spectroscopic signatures of the substitution are found to be well reproduced by DFT supercell and model impurity calculations. Namely, the hybridization of the dopant with the host decreases with increasing impurity potential and the electronic states of the impurtiy become increasingly localized. Simultaniously, in all simulated cases a shift of the Fermi level due to electron doping is observed. The magnitude of the shift in the chemical potential that accurs in BaFe2As2, however, is in stark contrast to the marginal doping values obtained for the impurity model, where the shift of the chemical potential is largely compensated by the influence of the increasing impurity potential. This suggests that the rigid band behaviour of TM substituded BaFe2As2 is a peculiarity of the compound, which has strong implications for the developement of superconductivity. / In dieser Arbeit wird die Ladungstraegerdynamik in korrelierten Elektronensystemen, in denen eine metallische Phase in direkter Nachbarschaft zu einer geordneten Phase liegt, mit Hilfe von winkelaufgeloester Photoelektronenspektroskopie (ARPES) untersucht. Die Analyse der experimentellen Daten wird ergaenzt durch lektronenstrukturrechnungen im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie (DFT). Zuerst wird die Ladungstraegerdynamik in gemischtvalenten zweischichtmanganaten mit kolossalem Magnetiwiderstand studiert. Die Analyse der Photoemissionsspektren basierend auf DFT Rechnungen und einem Peierls artigem Ladungsdichtewellenmodell, legt nahe, dass die Freiheitsgrade von Ladung, Orbitalen, Spin und des Ionengitters konspirieren, um eine fluktuierende zweidimensionale lokale Ordnung zu bilden, die verantwortlich ist fuer die beobachtete Pseudobandluecke von 450 meV, und die zur Reduktion der erwarteten Zweischichtaufspaltung beitraegt. Als naechstes wird das Zusammenspiel von Kondo Physik und (magnetischer) Ordung im Schwerfermionensupraleiter URu2Si2 untersucht. Die iedrigenergetische elektronische Struktur zeigt starke Veraenderungen bei 17.5 K, wo ein Phasenuebergang zweiter Ordnungstattfindet, der phenomenologisch gut charakterisiert ist, aber dessen Ordungsparameter nocht nicht eindeutig identifiziert werden konnte. Unterhalb von THOerlangen nicht dispergierende Quasiteilchen mit gro en Streuraten abrupt Dispersion und hybridisieren mit den Leitungselektronen. Gleichzeitig sinkt die Streurate und ein gro er Teil der Fermiflaeche verschwindet durch das Oeffnen einer Bandluecke innehalb des Bandes schwerer Quasiteilchen. Das beobachtete Verhalten steht in starkem Kontrast zu dem von konventionellen Schwerfermionensystemen, in denen die Hybridisierung zwischen lokalisierten und itineranten Ladungstraegern in einem kontinuierlichen Uebergang ablaeuft, anstatt abrubt. Diese experimentellen Befunde lassen den Schluss zu, dass das zusammenspiel zwischen Kondo Abschirmung und dem unbekannten Ordnungsparameter die ungewoehnlichen thermodynamischen Signaturen in dieser Verbindung hervorruft. Abschliessend wird das Zusammenwirken von Ladungstraegerdotierung und Streuung an Stoeratomen auf die Supraleitung uebergangsmetalldotierter Eisenpniktid Supraleiter Ba(Fe1-xTMx)2As2 (TM = Co, Ni) untersucht. Mit Hilfe von resonantem Weichenroentgen ARPES gelingt es, elementselektiv den Beitrag der 3d Zustaende des TM Substituenten zu den Eisen 3d Wirtsbaendern zu beobachten. Die spektroskopischen Signaturen der Substitution sind mit Hilfe von DFT Rechnungen und Modelrechnungen mit zufaellig verteilten Stoeratomen gut zu reproduzieren. Insbesondere nimmt die Hybridisierung des dotierten Uebergangsmetalls und der Eisenbaender mit zunehmender Kernladungszahl ab und die elektronischen Zustaende der Stoeratome werden zunehmen lokalisiert. Gleichzeitig wird in allen gerechneten Faellen eine Verschiebung des Fermi Niveaus durch Elektronendotierung beobachtet. Der Betrag der Verschiebung des chemischen Potentials in BaFe2As2 steht allerdings in starkem Kontrast zu den Werten, die man im Falle der Modellrechnungen erhaelt, wo die Verschiebung des Fermi Niveaus durch den Einfluss des Potentials der Stoeratome groesstenteils kompensiert wird. Dies legt nahe, dass das beobachtete "rigid band" Verhalten von TM substituiertem BaFe2As2 eine Besonderheit dieser Verbindung ist, welches starke Auswirkungen auf die Ausbildung von Supraleitung hat.

Chemnitz, Techn. Univ., Diplomarb., 2004.

All across physics research, incoherent and coherent light sources are extensively utilized. Especially highly brilliant X-ray sources such as third generation synchrotrons or free-electron lasers have become an invaluable tool enabling experimental techniques that are unique to these kinds of light sources. But these sources have developed to large scale facilities and a demand in compact laboratory scale sources providing radiation of similar quality arises nowadays. This thesis focuses on Traveling-Wave Thomson-Scattering (TWTS) which allows for the realization of ultra-compact, inherently synchronized and highly brilliant light sources. The TWTS geometry provides optical undulators, through which electrons pass and thereby emit radiation, with hundreds to thousands of undulator periods by utilizing pulse-front tilted lasers pulses from high peak-power laser systems. TWTS can realize incoherent radiation sources with orders of magnitude higher photon yield than established head-on Thomson sources. Moreover, optical free-electron lasers (OFELs) can be realized with TWTS if state-of-the-art technology in electron accelerators and laser systems is utilized. Tilting the laser pulse front with respect to the wavefront by half of this interaction angle optimizes electron and laser pulse overlap by compensating the spatial offset between electrons and the laser pulse-front at the beginning of the interaction when the electrons are far from the laser pulse axis. The laser pulse-front tilt ensures continuous overlap between electrons and laser pulse while the electrons cross the laser pulse cross-sectional area. Thus the interaction distance can be controlled in TWTS by the laser pulse width rather than laser pulse duration. Utilizing wide, petawatt class laser pulses allows realizing thousands of optical undulator periods. This thesis will show that TWTS OFELs emitting ultraviolet radiation are realizable today with existing technology for electron accelerators and laser systems. The requirements on electron bunch and laser pulse quality of these ultraviolet TWTS OFELs are discussed in detail as well as the corresponding requirements of TWTS OFELs emitting in the soft and hard X-ray range. These requirements are derived from scaling laws which stem from a self-consistent analytic description of the electron bunch and radiation field dynamics in TWTS OFELs presented within this thesis. It is shown that these dynamics in TWTS OFELs are qualitatively equivalent to the electron bunch and radiation field dynamics of standard free-electron lasers which analytically proves the applicability of TWTS for the realization of an optical free-electron laser. Furthermore, experimental setup strategies to generate the pulse-front tilted TWTS laser pulses are presented and designs of experimental setups for the above examples are discussed. The presented setup strategies provide dispersion compensation, required due to angular dispersion of the laser pulse, which is especially relevant when building compact, high-yield hard X-ray TWTS sources in large interaction angle setups. An example of such an enhanced Thomson source by TWTS, which provides orders of magnitude higher spectral photon density than a comparable head-on interaction geometry, is presented, too. / Inkohärente und kohärente Lichtquellen werden in allen Feldern der physikalischen Forschung intensiv eingesetzt. Im Besonderen ermöglichen hoch-brilliante Röntgenquellen, wie Synchrotrone der dritten Generation und Freie-Elektronen Laser, einzigartige Experimentiertechniken wodurch diese zu unverzichtbaren Werkzeugen wurden. Sie sind allerdings auch im Umfang zu Großforschungseinrichtungen herangewachsen. Um den hohen Bedarf an hoch-brillianten Lichtquellen zu decken, besteht daher die Notwendigkeit neuartige und kompakte Quellen zu entwickeln welche auf dem Maßstab eines Labors realisierbar sind. Diese Dissertation widmet sich der Traveling-Wave Thomsonstreuung (TWTS) welche die Realisierung ultra-kompakter, intrinsisch synchronisierbarer und hoch-brillianter Röntgenquellen ermöglicht. TWTS ist eine Methode der Streuung von Laserpulsen an relativistischen Elektronen. Dabei durchquert ein Elektronenpuls mit nahezu Lichtgeschwindigkeit einen Laserpuls. Während der Durchquerung beginnen die Elektronen im Feld des Laserpulses zu oszillieren wobei sie Strahlung emittieren. Die ausgesandte Strahlung besitzt eine deutlich kürzere Wellenlänge als das Laserfeld aufgrund der hohen Elektronengeschwindigkeit und der damit verbundenen großen Dopplerverschiebung. Das besondere an TWTS ist, dass Elektronen- und Laserpropagationsrichtung einen Winkel einschließen sowie pulsfrontverkippte Hochleistungslaserpulse eingesetzt werden. Dadurch können um Größenordnungen längere Interaktionsdistanzen als in herkömmlichen frontalen Thomsonstreuungsanordnungen erreicht werden. TWTS ermöglicht dadurch die Realisierung optischer Freie-Elektronen Laser (OFEL) und inkohärenter Strahlungsquellen mit einer um Größenordnungen erhöhten Photonenausbeute gegenüber Thomsonstreuungsquellen in frontalen Interaktionsanordungen. Werden modernste Elektronenbeschleuniger und Lasersysteme genutzt, dann ist der Betrieb optischer Freie-Elektronen Laser bereits heute mit TWTS möglich. Das wird in der Dissertation am Beispiel eines Vakuumultraviolettstrahlung emittierenden TWTS OFEL gezeigt. Dessen Anforderungen an die Qualität der Elektronen- und Laserpulse werden im Detail in der Arbeit besprochen sowie weitere Beispiele weicher und harter Röntgenstrahlung emittierender TWTS OFEL präsentiert. Diese Anforderungen werden anhand von Skalierungsvorschriften ermittelt welche aus einer selbstkonsistenten, 1.5 dimensionalen Theorie zur Wechselwirkung zwischen Elektronen und Laserfeld in TWTS abgeleitet sind. Sowohl die Theorie zur Wechselwirkung als auch die Ableitung der Skalierungsvorschriften sind Teile dieser Dissertation. Eine wichtige Erkenntnis der Theorie ist die qualitative Äquivalenz von Elektronen- und Strahlungsfeldbewegungsgleichungen in TWTS zu denen herkömmlicher Freie-Elektronen Laser. Das beweist analytisch die Möglichkeit zur Realisierung eines OFEL mit TWTS. Einen weiteren wichtigen Teil dieser Dissertation bildet die Arbeit zur Generierung der Laserpulse mit verkippter Pulsfront. Optische Aufbauten zur Verkippung der Laserpulsfront werden vorgestellt und für einige der präsentierten TWTS OFEL ausführlich dargelegt. Die Aufbauten verkippen nicht nur die Laserpulsfront sondern gewähren gleichzeitig Kontrolle über die Laserpulsdispersionen. Dadurch kann während der gesamten Interaktionen eine ausreichend hohe Qualität des Laserfeldes sichergestellt werden, was für TWTS OFEL und inkohärente TWTS Lichtquellen mit großem Interaktionswinkel unbedingt notwendig ist. Ein Beispiel einer inkohärenten TWTS Lichtquelle wird ebenfalls präsentiert. Diese emittiert Strahlung mit einer um Größenordnungen höheren spektrale Photonendichte als eine herkömmliche Thomsonquelle in einer frontalen Streuanordnung mit vergleichbaren Laser- und Elektronenpulsen.

Electronic systems are an indivisible part of modern life. Every day, new materials, devices, passive components, antennas for wireless communication are needed to be designed and developed. In particular, flexible and biocompatible wearable devices are urgent required for medical and industrial applications. The great hope lies in the materials with high crystalline quality and flexibility such as graphene and other 2D semiconductors and insulators. Doping is a conventional tool for tailoring of the electronic properties of the functional materials. Here we examine application of the widely used the electron donor species to the graphene and hexagonal boron nitride monolayer (h-BN). For each we determine surface-interface properties and the full electronic band structure using the combination of the surface science methods such as angle-integrated and angle resolved photoemission (XPS, ARPES), electron diffraction (LEED) and photo absorption (XAS). As the result we provided insight into mechanisms underlying the doping gating of the graphene h-BN monolayer by the alkali metals. We fully characterized their surface and interface structure. Finally we studied the interplay between electrons and phonons in the doped graphene and we demonstrated that Ca-doped graphene is the promising candidate for realizing superconductivity in graphene.

Charge excitations in different 3d transition metal compounds are studied. In particular, the influence of the lattice geometry on the character of these excitations is investigated. For this purpose, the momentum dependent loss function of electron energy-loss spectroscopy (EELS) as well as the optical conductivity are calculated and compared with the experimental data of NaV$_{2}$O$_{5}$, LiV$_{2}$O$_{5}$, Sr$_{2}$CuO$_{3}$, and CuGeO$_{3}$ . A quarter-filled extended Hubbard model on a system of coupled ladders provides a qualitative explanation for the highly anisotropic charge excitations of NaV$_{2}$O$_{5}$ and LiV$_{2}$O$_{5}$. These ladder compounds do not only differ from the charge ordering pattern but also from the coupling between different ladders: In LiV$_{2}$O$_{5}$ one finds a strong inter-ladder hopping which is very small in NaV$_{2}$O$_{5}$. On the other hand, in NaV$_{2}$O$_{5}$ the ladders are coupled by a strong inter-ladder Coulomb interaction. The charge excitations of quasi one-dimensional cuprates reflect both the properties of the CuO$_{4}$ plaquettes and the character of the coupling between different plaquettes. Independently from the geometry of the cuprat chains, the local excitation of the copper hole onto the adjacent oxygen orbitals is always found. Further transitions with an excitation energy below the local excitation of a single plaquette result from a hole transfer to another plaquette. These excitations with hole delocalization dominate the spectra of the corner-shared Sr$_{2}$CuO$_{3}$. In contrast to this, the hole transfer leads only to a pre-peak in the spectra of the edge-shared CuGeO$_{3}$. Furthermore, it is shown that the hole transfer is determined by the geometry of the edge-shared CO. / Gegenstand dieser Arbeit ist die theoretische Analyse von Ladungsanregungen in verschiedenen niedrigdimensionalen 3d-Übergangsmetallverbindungen, wobei insbesondere der Einfluß der Gittergeometrie auf die Charakteristik der Anregungen untersucht wurde. Mit Hilfe des Lanczos-Algorithmus' wurden dazu sowohl die impulsabhängige Verlustfunktion der Elektron-Energie-Verlust-Spektroskopie (EELS) als auch die optische Leitfähigkeit für NaV$_{2}$O$_{5}$, LiV$_{2}$O$_{5}$, Sr$_{2}$CuO$_{3}$ und CuGeO$_{3}$ berechnet und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Unter der Verwendung eines Modells viertelgefüllter Leitern kann man die Ladungsanregungen sowohl für NaV$_{2}$O$_{5}$ als auch LiV$_{2}$O$_{5}$ sehr gut beschreiben. In diesen Materialien findet man nicht nur unterschiedliche Ladungsordnungen sondern vor allem auch verschiedene Kopplungsarten zwischen den Leitern. Während die Leitern im NaV$_{2}$O$_{5}$ durch die Coulomb-Wechselwirkung miteinander gekoppelt sind, existiert im LiV$_{2}$O$_{5}$ ein Austausch aufgrund einer starken Hybridisierung zwischen den Leitern. Die Ladungsanregungen von quasi eindimensionalen Kupratketten spiegeln sowohl die Plaketteneigenschaften als auch die Plakettenkopplung wider. Unabhängig von der Geometrie der Ketten findet man stets die lokale Anregung des Kupferloches auf die umliegenden Sauerstofforbitale. Aus einem möglichen Lochtransfer zu benachbarten Plaketten resultieren außerdem noch Anregungen, die energetisch unterhalb der Plakettenanregung liegen und unmittelbar von der Kettengeometrie abhängen. Während im eckenvernetzten Sr$_{2}$CuO$_{3}$ diese Anregungen die Spektren dominieren, spielt der Lochtransfer im kantenvernetzten CuGeO$_{3}$ nur eine untergeordnete Rolle.

Strongly correlated systems on geometrically frustrated lattices can stabilize a large number of interesting phases that includes a wide array of novel Mott insulators in both bosonic and electronic systems. Charge fluctuations in a Mott insulator are suppressed due to strong mutual interaction among the particles. The presence of frustration is of particular importance as the physics it offers is often rich, unexpectedly complicated, and continues to raise many open questions. The thesis elucidates some of these issues on a kagome lattice where strong interactions among the particles in the Mott phase impose non-trivial local constraints depending on the filling fraction on the lattice. These Mott insulators, in addition to featuring unusual magnetic and/or charge ordering, can also harbor topologically ordered states of quantum matter, e.g., resonating valence bond liquids realized in certain quantum dimer models on non-bipartite lattices. The dimer models can be regarded as low-energy effective theories for different types of bosonic models in the strong-coupling limit. Exploring this connection is a central theme of this thesis with the aim of realizing novel strongly correlated ground states. Past studies of these models have revealed the existence of various ordered and disordered phases with distinct signatures. Among these low-energy phases, the presence of a stable topological liquid at a particular point, known as Rokhsar-Kivelson point, in the phase diagram is notable. The classical versions of the dimer model are also known to have garnered a vast interest in various fields ranging from problems of pure mathematical origin to ones in physical chemistry as well as statistical physics. Pioneered by Kasteleyn, several analytical works came forward to exactly calculate the partition function of the problem from which other physical observables can be derived. Classical numerical methods are extensively applied to these models to verify the analytical predictions. We introduce a new classical algorithm here to compute the correlation functions of a classical dimer model on a square (bipartite) and a triangular (non-bipartite) lattice based on a tensor network construction. The method, called tensor network renormalization group, turns out to be a powerful tool for simulating short-ranged gapped systems as inferred from our results benchmarked against the classical Monte-Carlo technique and compared with past analytical studies. One should note that the quantum dimer model at the Rokhsar-Kivelson point can also be described as an infinite temperature canonical ensemble of classical dimers because of the particular structure of the ground state which is an equal weight superposition in the configuration manifold. The geometry of the lattice plays a pivotal role in deciding the nature of the phases that arise in the dimer models. Many physical properties of the dimer liquid phase can be extracted in the simple classical setting which certainly allows for a deep understanding of the classical models to be developed. The liquid phase is gapped on non-bipartite lattices and gapless on bipartite lattices, which is reflected in the decay of correlation functions with spatial distances. In general on non-bipartite lattices, the topological nature of the dimer liquid is characterized by a Z2 topological order which survives even when the model is perturbed away from the Rokhsar-Kivelson point. Stability of this liquid phase not only depends on the lattice geometries but notably on dimer concentrations also. In this context, we focus on a particular variant of the dimer model on a triangular lattice which is known as the quantum fully packed loop model. The model is composed of nonintersecting closed loops made of dimers and governed by the same Hamiltonian as the quantum dimer model. The loop model provides an effective low-energy description of a strongly correlated bosonic system at 1/3 filling on the kagome lattice. The corresponding Bose-Hubbard Hamiltonian consists of nearest-neighbor hopping and all possible repulsive interactions within a hexagonal plaquette. Conspicuous features of the zero-temperature phase diagram for this model include (i) presence of a stable Z2 liquid even without any Rokhsar-Kivelson potential term (in distinction to the standard quantum dimer model), and (ii) an unconventional phase transition from the liquid phase to a novel crystalline phase that has nematic order (dubbed lattice nematic). For a deeper understanding of the physics, a mapping to an Ising gauge theory is presented. The gauge theoretic description provides a useful way to predict the nature of the quantum phase transition to lie in the O(3) universality class. Finally a fermionic model at the same 1/3 filling is considered in which the ground state exhibits a number of exotic local orderings resulting from the spin-charge interplay of electrons. The Hamiltonian comprises nearest-neighbor hopping, strong on-site Coulomb interaction, and repulsive interaction terms only between nearest-neighbors. In the strong correlation limit, this fermionic problem maps to a two-color fully packed loop model – a model in which the loop segments carry an additional quantum number as color on a honeycomb lattice. The effective theory is governed by coherent three-particle ring exchanges and nearest-neighbor antiferromagnetic spin exchanges. The competition between these two leads to a phase diagram composed of a novel plaquette ordered state (known as the plaquette phase) that undergoes phase transition to a new kind of charge ordered state which we call a short loop phase. From our numerical analysis, we conclude that the plaquette phase features an unusual antiferromagnetic order with gapless spin excitations while the charge-ordered state is subjugated by spin fluctuations of localized electrons arranged in small hexagonal loops on the kagome lattice.

Electronic systems are an indivisible part of modern life. Every day, new materials, devices, passive components, antennas for wireless communication are needed to be designed and developed. In particular, flexible and biocompatible wearable devices are urgent required for medical and industrial applications. The great hope lies in the materials with high crystalline quality and flexibility such as graphene and other 2D semiconductors and insulators. Doping is a conventional tool for tailoring of the electronic properties of the functional materials. Here we examine application of the widely used the electron donor species to the graphene and hexagonal boron nitride monolayer (h-BN). For each we determine surface-interface properties and the full electronic band structure using the combination of the surface science methods such as angle-integrated and angle resolved photoemission (XPS, ARPES), electron diffraction (LEED) and photo absorption (XAS). As the result we provided insight into mechanisms underlying the doping gating of the graphene h-BN monolayer by the alkali metals. We fully characterized their surface and interface structure. Finally we studied the interplay between electrons and phonons in the doped graphene and we demonstrated that Ca-doped graphene is the promising candidate for realizing superconductivity in graphene.

Polypropylene (PP) has excellent mechanical and chemical properties. Thus, it is used in a wide range of applications. However, like for most polymers, the high flammability of PP limits its application in various fields requiring specific flame-retardant standards. Some of halogenated flame retardants are restricted by European Community directives ROHs, WEEE and REACH. Now metallic hydroxides flame retardants are widely used in industry, but the high loading (about 60 wt %) seriously destroys the mechanical properties of polymeric materials. To improve the performance of flame retardant polymers, an environment-friendly electron beam (EB) technology has been successfully used in modifying flame retardant and polymer matrix. In this work, high efficient functional intumescent flame retardants and functional surfactant are designed and prepared for EB technology. In-depth studies the thermal stability, fire behavior and mechanical properties of these flame retardant PP composites have been studied. The possible graft-linking and cross-linking mechanisms of such EB modified composites can be well established. Specially, it is shown that the novel surfactant has better thermal stability in comparison to traditionally used modifiers. Another part of this work deals with the exploration of novel allylamine polyphosphate (AAPP) as flame retardant crosslinker for PP by electron beam (EB) treatment. Multifunctional AAPP showed unique efficient intumescent flame retardant properties. The limiting oxygen index (LOI) value and the effective melt drop resistance in UL-94 test of multifunctional flame retardant PP composites is greatly enhanced. In the cone calorimeter test, a reduction of peak heat release rate, total heat release and smoke production is achieved. Moreover, EB treatment increased the thermal stability of these designed flame retardant PP composites. Furthermore, AAPP provided an excellent quality of char residue in the combustion stage due to P−N−C and P−O−C structure. In addition, synergistic mechanism of AAPP with montmorillonite (MMT) was explored. Finally, different EB parameters have been used to modify fire retardant polymer nanocomposites. The effects of EB treatment on thermal stability, fire behavior and mechanical properties of fire retardant PP nanocomposites have been discussed. The heat release, the production of toxic gases and the mass loss of EB modified fire retardant PP nanocomposites are delayed in accordance to the result of cone calorimeter test. Based on these results high performance fire retardant polymer nanocomposites can be developed for industrial applications such as insulated material of wire, cable, etc.