<p dir="ltr">In the realm of two-dimensional (2D) materials, monolayer (ML) transition metal dichalcogenides (TMDCs) have gained significant interest due to their direct bandgap transition, high carrier mobility, strong light-matter interaction, and robust spin and valley degrees of freedom, starkly contrasting their bulk counterparts. Owing to their large surface-to-volume ratio, the integration of ML TMDCs with other various 2D semiconductors and microcavities offers opportunities to study fundamental photo-physics processes at the heterointerfaces, paving the way for implementation of next-generation devices.</p><p dir="ltr">Chapter 1 provides a concise introduction to 2D materials, particularly TMDCs, and their fascinating optical and electronic properties. It examines the role of excitons in 2D materials, and the impact of energy transfer (ET) and charge transfer (CT) on exciton’s properties in TMDC through the construction of 2D van der Waals (vdW) heterostructures and coupling with optical microcavities. This chapter also delves into the potential enhancement of TMDCs’ optical properties by integrating 2D hybrid lead halide perovskites and ultra-thin three-dimensional (3D) halide perovskites with TMDCs. Furthermore, it sets the general context for light-matter interaction, another form of ET, considering both weak and strong coupling regimes.</p><p dir="ltr">Chapter 2 outlines the optical techniques employed to gather data for this work. A focus is placed on ultrafast optical techniques like transient absorption spectroscopy, which allow for direct probing and analysis of ET and CT dynamics at the heterointerface.</p><p dir="ltr">Photoinduced interfacial CT plays a critical role in the field of energy conversion involving vdW heterostructures constructed by inorganic nanostructures and organic materials. However, the control of atomic-scale stacking configurations to modulate charge separation at interfaces remains challenging. Chapter 3 aims to illustrate tunability of interfacial charge separation in a Type-II heterojunction between ML-WS₂ and an organic semiconducting molecule by rational design of relative stacking configurations using 2D perovskites as scaffoldings. This chapter investigates how different molecular stacking, face-to-face versus face-to-edge, affects CT at the heterointerface. Our findings reveal that the CT process heavily depends on the relative stacking configurations at the organic-TMDCs heterointerface, with charge separation being notably slowed down for face-to-edge configuration compared to face-to-face configuration. These investigations open new opportunities for designing efficient charge separation processes in energy conversion applications by judiciously engineering interfaces between organic and inorganic semiconductors, using 2D perovskites as scaffolds.</p><p dir="ltr">Though TMDCs’ large surface-to-volume ratios make them excellent platforms for studying interfacial properties, the presence of bulky ligands on the surface of 2D perovskite poses a challenge, impeding direct interfacial coupling in their heterostructures. Chapter 4 details the fabrication of ML-WS₂ and ultra-thin CH₃NH₃PbX₃ (MAPbX₃, X=Br, I) heterostructures with tunable energy levels, to study the dynamics of CT and ET at these hybrid interfaces. Notably, heterojunctions of WS₂ with pure MAPbBr₃ and MAPbI₃ were elucidated as Type-I and Type-II respectively, using photoluminescence (PL) and time-resolved photoluminescence (TR-PL) measurements. Transit absorption (TA) spectroscopy investigations unambiguously revealed a rapid ET facilitated by CT in the WS₂/MAPbBr₃ heterostructure, with a time constant of ~20 ps, and a predominantly CT in the WS₂/MAPbI₃ heterostructure with a time constant of ~50 femtosecond (fs). The successful interfacing of low-dimensional perovskites with an extensive array of traditional 2D materials such as TMDCs opens up possibilities for novel optoelectronic properties and applications within the field of 2D material systems. Furthermore, the ultrafast and efficient ET and CT processes hold promise for the creation of advanced energy conversion devices.</p><p dir="ltr">In the last chapter, we successfully fabricated a ML-WS₂ in conjunction with a silver (Ag) nanoparticle (NP) array. Our findings affirmed a weak light-matter coupling between ML-WS₂ and the Ag NP array, as evidenced by angle-resolved photoluminescence spectroscopy. Furthermore, an enhancement in the bright exciton emission from ML-WS₂ was observed at reduced temperatures. The analysis of PL enhancement factor at varying temperatures suggested that an upper bound of the enhancement factor for the bright exciton could reach ~51 or even higher at 7 K, given the imperfect uniformity of the electric filed generated around the NPs. This discovery carries significant implications for the manipulation of excitons in TMDCs and expands their potential applications in the field of optoelectronics.</p>

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Aggregate aus Molekülen, in denen die Moleküle über ihre elektronischen Übergangsdipole miteinander wechselwirken, finden wegen ihrer besonderen optischen und Energietransfer-Eigenschaften vielfach Anwendung in Natur, Technik, Biologie und Medizin. Beispiele sind die wechselwirkenden Farbstoffmoleküle, die in den Lichtsammelkomplexen Photosynthese betreibender Lebewesen Sonnenlicht absorbieren und die Energie als elektronische Anregung hocheffizient zu Reaktionszentren weiterleiten, oder Aggregate aus tausenden von organischen Farbstoffmolekülen in einem flüssigen Lösungsmittel. Die Wechselwirkung der Moleküle (Monomere) führt zu über mehrere Moleküle delokalisierten angeregten elektronischen Zuständen, die die Energietransfer-Dynamik und die Absorptionsspektren der Aggregate prägen. Die Lichtabsorption und der Energietransfer in molekularen Aggregaten werden oft stark von Vibrationen beeinflusst, sowohl von internen Vibrationsfreiheitsgraden der Monomere als auch von Vibrationen der Umgebung (z. B. das Proteingerüst in Lichtsammelkomplexen oder eine Flüssigkeitsumgebung), an die die elektronische Anregung koppelt. Da es schwierig ist, diese Vibrationen in die theoretische Beschreibung des Transfers und der Spektren einzubeziehen, ist ihr genauer Einfluss noch nicht gut verstanden. Um dieses Verständnis zu verbessern, entwickeln wir in dieser Arbeit neue Berechnungsmethoden und untersuchen damit die Auswirkungen der Vibrationen. Zuerst betrachten wir die diskreten internen Vibrationsfreiheitsgrade der Monomere. Dazu haben wir eine effiziente numerische Methode entwickelt, die es uns erlaubt, mehrere Freiheitsgrade pro Monomer explizit einzubeziehen und die volle Schrödinger-Gleichung zu lösen. Mit den Modellrechnungen können wir experimentelle Aggregat-Spektren der Helium-Nanotröpfchen-Isolation-Spektroskopie, mit der man die einzelnen Vibrationslinien der Monomere auflösen kann, zum ersten Mal quantitativ reproduzieren. In früheren theoretischen Behandlungen wurde oft nur ein einziger Vibrationsfreiheitsgrad pro Monomer berücksichtigt – nun zeigen wir, dass die Einbeziehung möglichst vieler Freiheitsgrade für eine realistische Beschreibung von Aggregat-Spektren wichtig ist. Um neben den internen Vibrationen auch den Einfluss der Umgebung beschreiben zu können, nutzen wir den Zugang offener Quantensysteme und nehmen an, dass die elektronische Anregung an ein strukturiertes Kontinuum von Vibrationsfreiheitsgraden koppelt. Erstmals wenden wir die sogenannte nicht-markovsche Quanten-Zustands-Diffusion auf die molekularen Aggregate an, wodurch wir mit Hilfe einer Näherung Spektren und Transfer mit einer sehr effizienten stochastischen Schrödinger-Gleichung berechnen können. So können wir Merkmale gemessener Aggregat-Spektren, wie das schmale J-Band und das breite strukturierte H-Band, in Abhängigkeit der Anzahl der Monomere und der Wechselwirkungsstärke zwischen den Monomeren beschreiben. Auch können wir den Übergang von kohärentem zu inkohärentem Transfer erfassen. Eine für den Transfer relevante Größe ist die Anzahl der kohärent gekoppelten Monomere im Aggregat. Diese schätzt man häufig aus der Verschmälerung des Aggregat-Spektrums ab. Wir finden jedoch für verschiedene Spektraldichten des Vibrationskontinuums sehr unterschiedliche Verschmälerungen des Aggregat-Spektrums, die wir analytisch erklären. So zeigen wir, dass die bisherige einfache Abschätzung der Anzahl der kohärent gekoppelten Monomere nicht gerechtfertigt ist, da die Verschmälerung stark vom angenommenen Modell abhängt.

Aggregate aus Molekülen, in denen die Moleküle über ihre elektronischen Übergangsdipole miteinander wechselwirken, finden wegen ihrer besonderen optischen und Energietransfer-Eigenschaften vielfach Anwendung in Natur, Technik, Biologie und Medizin. Beispiele sind die wechselwirkenden Farbstoffmoleküle, die in den Lichtsammelkomplexen Photosynthese betreibender Lebewesen Sonnenlicht absorbieren und die Energie als elektronische Anregung hocheffizient zu Reaktionszentren weiterleiten, oder Aggregate aus tausenden von organischen Farbstoffmolekülen in einem flüssigen Lösungsmittel. Die Wechselwirkung der Moleküle (Monomere) führt zu über mehrere Moleküle delokalisierten angeregten elektronischen Zuständen, die die Energietransfer-Dynamik und die Absorptionsspektren der Aggregate prägen. Die Lichtabsorption und der Energietransfer in molekularen Aggregaten werden oft stark von Vibrationen beeinflusst, sowohl von internen Vibrationsfreiheitsgraden der Monomere als auch von Vibrationen der Umgebung (z. B. das Proteingerüst in Lichtsammelkomplexen oder eine Flüssigkeitsumgebung), an die die elektronische Anregung koppelt. Da es schwierig ist, diese Vibrationen in die theoretische Beschreibung des Transfers und der Spektren einzubeziehen, ist ihr genauer Einfluss noch nicht gut verstanden. Um dieses Verständnis zu verbessern, entwickeln wir in dieser Arbeit neue Berechnungsmethoden und untersuchen damit die Auswirkungen der Vibrationen. Zuerst betrachten wir die diskreten internen Vibrationsfreiheitsgrade der Monomere. Dazu haben wir eine effiziente numerische Methode entwickelt, die es uns erlaubt, mehrere Freiheitsgrade pro Monomer explizit einzubeziehen und die volle Schrödinger-Gleichung zu lösen. Mit den Modellrechnungen können wir experimentelle Aggregat-Spektren der Helium-Nanotröpfchen-Isolation-Spektroskopie, mit der man die einzelnen Vibrationslinien der Monomere auflösen kann, zum ersten Mal quantitativ reproduzieren. In früheren theoretischen Behandlungen wurde oft nur ein einziger Vibrationsfreiheitsgrad pro Monomer berücksichtigt – nun zeigen wir, dass die Einbeziehung möglichst vieler Freiheitsgrade für eine realistische Beschreibung von Aggregat-Spektren wichtig ist. Um neben den internen Vibrationen auch den Einfluss der Umgebung beschreiben zu können, nutzen wir den Zugang offener Quantensysteme und nehmen an, dass die elektronische Anregung an ein strukturiertes Kontinuum von Vibrationsfreiheitsgraden koppelt. Erstmals wenden wir die sogenannte nicht-markovsche Quanten-Zustands-Diffusion auf die molekularen Aggregate an, wodurch wir mit Hilfe einer Näherung Spektren und Transfer mit einer sehr effizienten stochastischen Schrödinger-Gleichung berechnen können. So können wir Merkmale gemessener Aggregat-Spektren, wie das schmale J-Band und das breite strukturierte H-Band, in Abhängigkeit der Anzahl der Monomere und der Wechselwirkungsstärke zwischen den Monomeren beschreiben. Auch können wir den Übergang von kohärentem zu inkohärentem Transfer erfassen. Eine für den Transfer relevante Größe ist die Anzahl der kohärent gekoppelten Monomere im Aggregat. Diese schätzt man häufig aus der Verschmälerung des Aggregat-Spektrums ab. Wir finden jedoch für verschiedene Spektraldichten des Vibrationskontinuums sehr unterschiedliche Verschmälerungen des Aggregat-Spektrums, die wir analytisch erklären. So zeigen wir, dass die bisherige einfache Abschätzung der Anzahl der kohärent gekoppelten Monomere nicht gerechtfertigt ist, da die Verschmälerung stark vom angenommenen Modell abhängt.

This thesis is concerned with the influence of nanoscale boundaries and interfaces upon the electronic processes that occur within the inorganic semiconductors. Inorganic semiconductor nanowires and their blends with semiconducting polymers have been investigated using state-of-the-art ultrafast optical techniques to provide information on the sub-picosecond to nanosecond photoexcitation dynamics in these systems. Chapters 1 and 2 introduce the theory and background behind the work and present a literature review of previous work utilising nanowires in hybrid organic photovoltaic devices, revealing the performances to date. The experimental methods used during the thesis are detailed in Chapter 3. Chapter 4 describes the crucial roles of surface passivation on the ultrafast dynamics of exciton formation in gallium arsenide (GaAs) nanowires. By passivating the surface states of nanowires, exciton formation via the bimolecular conversion of electron-hole plasma can observed over few hundred picoseconds, in-contrast to the fast carrier trapping in 10 ps observed in the uncoated nanowires. Chapter 5 presents a novel method to passivate the surface-states of GaAs nanowires using semiconducting polymer. The carrier lifetime in the nanowires can be strongly enhanced when the ionization potential of the overcoated semiconducting polymer is smaller than the work function of the nanowires and the surface native oxide layers of nanowires are removed. Finally, Chapter 6 shows that the carrier cooling in the type-II wurtzite-zincblend InP nanowires is reduced by order-of magnitude during the spatial charge-transfer across the type-II heterojunction. The works decribed in this thesis reveals the crucial role of surface-states and bulk defects on the carrier dynamics of semiconductor nanowires. In-addition, a novel approach to passivate the surface defect states of nanowires using semiconducting polymers was developed.

In dieser Arbeit werden Untersuchungen an selbstorganisierten, tubulären J-Aggregaten amphiphiler Cyaninfarbstoffe, 3,3’-bis(2-sulfopropyl)-5,5’,6,6’-tetrachloro-1,1’-dioctylbenzimidacarbocyanine, im Weiteren C8S3 genannt, dargestellt. Ziel der Arbeit ist es an die Aggregate eine Lage Polyelektrolyte zu adsorbieren, sowie nachzuweisen, dass diese Methode geeignet ist, um einen Energietransfers zwischen dem Aggregat und funktionellen Gruppen in der Adsorbatschicht zu erreichen. Die tubulären Aggregate sind supramolekulare Strukturen, die sich spontan und selbstorganisiert aufgrund des amphiphilen Charakters der Cyaninfarbstoffe in wässrigen Lösungen bilden. Die Farbstoffe ordnen sich in einer Doppelschicht an, die die Wand der Röhren bildet mit etwa 13 nm Durchmesser und Längen bis zu 1 µm und mehr. Die Aggregate bilden exzitonische Anregungen aus, die sich in einer typischen Rotverschiebung (J-Aggregat) der optischen Absorption sowie einer charakteristischen Aufspaltung in mehrere schmale Banden zeigt. Die negative Oberflächenladung der Aggregate wird genutzt, um positiv geladene Polyelektrolyte (PE) anzulagern. Drei exemplarische PE, die sich in Ladungsdichte und Persistenzlänge unterscheiden, werden untersucht. In allen drei Fällen ist es gelungen Aggregate mit einer 2-3 nm dicken Polyelektrolytschicht zu umhüllen, wobei die molekulare Ordnung der Aggregate nur geringfügig gestört wird. Durch Einsatz von Farbstoffdotierten Polyelektrolyten konnten Experimente zum Nachweis des Förster-Energietransfer durchgeführt werden. Die Farbstoffdotierungen sind kovalent an die PE gebunden, wodurch sie in der PE-Umhüllung lokalisiert sind. Durch Wahl geeigneter Farbstoffe konnte ein Energietransfer vom Farbstoff (Donator) zum Aggregat als auch umgekehrt vom Aggregat zum Farbstoff (Akzeptor) nachgewiesen werden. Es ergeben sich hohe Transferraten, da die Farbstoffe in der PE-Schicht deutlich dichter am Aggregat liegen, als die theoretisch berechneten Förster-Radien. / The following dissertation deals with investigation on tubular J-aggregates of amphiphile cyanine-dyes, 3,3’-bis(2-sulfopropyl)-5,5’,6,6’-tetrachloro-1,1’-dioctylbenzimidacarbocyanine (C8S3). Aim of this work is to adsorb a layer of polyelectrolyte on C8S3-aggregates and to proof the capability of this method to establish an energy-transfer between the aggregate and functional groups in the adsorbate-layer. The tubular aggregates are supramolecular structures, that form entirely spontaneous and self-organized due to amphiphilic character of the investigated cyanine-dye derivative in aqueous solution. These dyes arrange themselves in a double-layer, assembling the hull of the tubular structure, with outer tube-diameters of approximately 13 nm and length of more than 1 µm. Due to the regular and dense arrangement of the dyes excitonic excitation establishs with the structure, that causes a J-aggregate typical red-shift in absorption and a characteristic band-splitting. The aggregates offer a negative surface-charge in aqueous solution. This is utilized to adsorb oppositely charged polyelectrolytes (PE) by electrostatic adsorption. It is shown exemplarily for three different kinds of PE that differ in charge-density and persistence-length. In all three cases a successful PE-wrapping of 2-3 nm thickness has been performed. The molecular order within the aggregates has been disturbed only weakly. Dye-labelled PE experiments proof Förster-energytransfer. The dye-labels are covalently bound to PE, fixing and localizing the labels in the wrapping-layer. With appropriate dye-labels an energy-transfer from labels in the coating (donor) towards the aggregate and vice versa, from aggregate to the dye-labels (acceptor) has been revealed. Caused by the localisation of the labels within the PE-coating, the distances of aggregate and label are always smaller than the theoretically calculated Förster-radii, resulting in a high efficiency of the transfer-rates.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die optischen Eigenschaften von auf ZnO-basierenden Heterostrukturen untersucht. Besonderes Augenmerk lag hierbei auf ihrer Eignung als aktives Material in Laserdioden für den ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich. Es wurde gezeigt, dass ZnO und seine ternären Mischkristalle ZnCdO und ZnMgO erstaunlich vielfältige Anwendungen ermöglichen. Mit diesem Materialsystem lässt sich sowohl ein sehr großer Spektralbereich für Lasertätigkeit abdecken als auch eine Vielzahl von Laseranordnungen realisieren. Im Detail wurde demonstriert, dass sich die Lasertätigkeit von ZnCdO/ZnO Quantengraben-Strukturen vom violetten bis in den grünen Spektralbereich verschieben lässt. Obwohl diese Strukturen starke interne elektrische Felder aufweisen, konnte optisch gepumpte Lasertätigkeit bei Zimmertemperatur bis zu einer Wellenlänge von 510 nm gezeigt werden. Die für die Lasertätigkeit nötige optische Rückkopplung wird durch makroskopische Defekte der Probe verursacht und die Proben fungieren somit als Zufallslaser. Die Herstellung von Mikroresonatoren ermöglichte die Untersuchung des Zusammenspiels von Fabry-Perot- und Zufalls-Rückkopplung. Die experimentellen und theoretischen Ergebnisse zeigen, dass der Schwellengewinn eines Zufallslasers in der Regel größer ist als der des Fabry-Perot-Lasers. Des Weiteren wurde gezeigt, dass hoch reflektierende Braggreflektoren für den ultravioletten und blau/grünen Spektralbereich aus ZnO- und ZnMgO-Schichten hergestellt werden können. Ferner wurden die teils unbekannten Brechungsindexverläufe der verwendeten ternären Materialen erarbeitet und Mikrokavitäten mit ZnO/ZnMgO Quantengraben Strukturen als aktive Schichten realisiert. An diesen Kavitäten konnte bei Temperaturen bis zu 150 K starke Kopplung zwischen Exzitonen und Photonen nachgewiesen werden. Bei Zimmertemperatur konnte vertikal-emittierende Lasertätigkeit im nahen ultravioletten Spektralbereich demonstriert werden. / In the framework of this thesis, the optical properties of ZnO-based heterostructures fabricated by molecular beam epitaxy have been investigated, particularly with regard to their suitability for semiconductor laser devices operating in the ultraviolet and visible spectral range. It turned out that ZnO and its ternary alloys ZnMgO and ZnCdO are extremely versatile. They allow to tune the laser emission in a wide spectral range as well as to realize various laser geometries. In detail, it was shown that the laser emission of ZnCdO/ZnO multiple quantum wells can cover a spectral range from violet to green wavelengths. Although these structures suffer from large built-in electric fields, room temperature laser action under optical pumping was demonstrated up to a wavelength of 510. The optical feedback for lasing is provided by growth imperfections on a macroscopic length scale turning these structures into random lasers. The fabrication of micro-resonators allowed to study the interplay between random and Fabry-Perot feedback. The experimental and theoretical analysis shows that random feedback generally requires a larger gain than under Fabry-Perot feedback. Further, this work demonstrates that ZnO- and ZnMgO-layers can be used to fabricate highly reflective distributed Bragg reflectors for applications in the ultraviolet and blue/green spectral range. The partly unknown dispersion curves of the index of refraction of the employed ternary alloys have been elaborated. This enabled the realization of all monolithic microcavities with ZnO/ZnMgO quantum wells as active zone. For temperatures below 150 K strong exciton-photon coupling is observed in such microcavities. At room temperature, vertical cavity surface emitting laser action in the near UV spectral range is demonstrated for appropriately designed microcavities.

Optical properties of nanoscopic materials have been intensively perused over last couple of decades due to their tunable optical properties. Recent interests in this field have been mainly focused on the preparation of ordered arrays of nanoscopic materials and study of their optical properties. These interests have been motivated by the usability of such systems for nano photonic devices. Theoretical predictions from such systems reveal complex absorption and emission properties, different from individual ones mainly because of energy transfer between them. These properties can be controlled further by preparing hybrid arrays of nanostructures, including nano crystals of different types. Hybrid arrays with semiconducting quantum dots and metallic nanoparticles are an example of such system. Optical properties of such a system can be tuned by controlling the interaction between excitons and plasmons. This the-sis presents the experimental studies on optical properties of polymer capped polymer nanoparticles, quantum dot arrays and hybrid arrays with semiconducting quantum dot and metal nanoparticles. A brief summary of the experi-mental methods and results have been highlighted below. First chapter deals with the theoretical aspects of confined nanoscopic materials, especially describing the physics of zero dimensional systems and its optical properties. The discussions are mostly focused on two types of nano materials cadmium selenide (CdSe) quantum dot (QDs) and gold nano particles (Au NPs), used for the experimental study. Variation of energy levels of CdSe QDs and its absorption and emission properties under strong confinement regime has been discussed with respect to effective mass approximation (EMA) model. This is followed by the discussion on optical properties of Au NPs, describing absorption properties, based on Mie theory. Size dependent variation of absorption spectra of Au NPs and the modifications based on different models has been discussed. Second part of the chapter describes the physics of QD arrays and theory of exciton plasmon interactions based on the recent literatures. Energy transfer mechanism between semiconducting QDs and metal nanoparticles has been discussed based on numerical method and dipole approximation. Second chapter deals with the discussion on experimental techniques used for the study. Chapter 2 starts with the discussion on the synthesis method for CdSe QDs and Au NPs with different capping ligands. Preparation of QD ar-rays and hybrid arrays using self assembly technique has been discussed in this chapter. Preparation CdSe QD arrays and hybrid arrays with CdSe QDs and Au NPs using block copolymer (BCP) template and Langmuir Blodgett (LB) technique has been the main focus in the discussion. This is followed by the discussion on optical microscopy techniques, confocal, near field scanning microscopy (NSOM), Brewster angle microscopy and electron microscopy techniques, transmission electron microscopy and scanning electron microscopy. Studies on variation of band structure of small polymer capped Au NPs, with respect to the size and grafting density of the capping polymer is discussed in chapter 3. Polymer capped Au NPs with sizes 2-5 nm was used for the study. Dielectric constants of Au NPs were extracted from the absorption spectra by fitting the data using modified Mie theory. Dielectric constants of Au NPs were reproduced using an analytical expression, describing the contribution from different transitions in the optical regions. Results indicate systematic variations of the band structure with respect to the particle size and grafting density. The observations have been interpreted in terms of variation of co ordination number and chemical interaction of capping polymer with the surface atoms. Our new method analysis points to the importance of both quantum and surface effects in determining optical and electronic properties of polymer capped gold nanoparticles. Chapter 4 describes the study on morphology of the CdSe QD arrays prepared using different BCP templates and its correlation with optical properties. Spatially resolved spectra from the thin films of QD arrays were collected in near field and the compared with the spectra collected in far field. Spectra collected in near field mode shows sharp features in the emission spectra, possibly indicating the interaction of optical near field with QD excitation. It has been suggested that such fine structure could be induced by coupling between optical near filed and excitons and this coupling seems to be determined by local heterogeneity in QD density and disorder. Variation of exciton life time with respect to QD density and absorption spectra from the QD -BCP system is also described in chapter 4. Chapter 5 and 6 deals with the experimental studies on exciton -plasmon interaction in hybrid arrays of CdSe QDs and Au NPs. Emission properties hybrid arrays prepared using BCP templates has been the focus of chapter 5. Photoluminescence (PL) and lifetime measurements were performed on hybrid arrays and their variation with respect to the density and dispersion of Au NPs has been described. Optical measurements were performed on two sets of films using two different sizes of CdSe QDs, with the smaller QD emission overlapping with the plasmon resonance of Au NPs, while a red shifted emission peak for larger QDs. PL emission from hybrid arrays with smaller QDs shows en-hancement/quenching with respect to the dispersion of Au NPs, also showing systematic reduction of life time of CdSe QDs with Au NP density. Even though enhancement/quenching of emission properties of hybrid film with large QD shows similar behavior, PL decay measurements from such films shows non monotonic variation of exciton life time with respect to Au NP density. The enhancement/quenching behavior of the PL emission has been explained in terms of two competing mechanism, electromagnetic field enhancement and non radiative energy transfer. However to explain the energy transfer mechanism in hybrid arrays requires more systematic calculations. Chapter 6 describes the optical properties of highly compact hybrid arrays prepared using LB techniques. Hybrid arrays prepared at the air water inter-face were transferred to a glass substrates. The main focus on chapter 6 is to study the emission properties of highly compact hybrid arrays with respect to the spectral overlap between exciton energy of CdSe QDs and plasmon band of Au NPs with respect to their surface density (inter particle distance). Hybrid arrays were prepared with three types of QDs, with smaller QDs emission peak overlapping with plasmon band of Au NPs and clearly separated exciton and plasmon band for largest QDs. The PL emission from hybrid arrays with smaller QDs shows quenching, compared to strong enhancement in the emission from hybrid films with larger QDs. The disagreement of the observed results with respect to the theoretical calculations based on dipole approximation has been highlighted in the chapter. Chapter 7 includes the summary of the experimental results and the future works to be carried out as a continuation of the work presented in this thesis.

In semiconductor superlattices, the carrier band structure can be tailored by the proper choice of their geometry. Therefore, superlattices are a model system for the study of coherent high-field transport phenomena in a periodic potential with applied static electric field. This thesis is structured in two parts. I. Zener Tunneling in Semiconductor Superlattices. In this work,semiconductor superlattices with shallow barriers and narrow band gaps were employed to investigate the Zener breakdown. In these samples, tunneling in the electron Wannier-Stark ladder spectrum is addressed as coupling of the electron states of a single bound below-barrier band to the states of the above-barrier spectrum. The field-dependent evolution of the Wannier-Stark ladder states was traced in the optical interband spectrum. Superlattices with different geometries were employed, to clarify the influence of the particular miniband structure on the Zener tunneling behavior. It was shown that in the presence of Zener tunneling, the Wannier-Stark ladder picture becomes invalid. Tunneling is demonstrated to lead to a field-induced delocalization of Wannier-Stark ladder states. In addition, the coherent polarization lifetime was analyzed as a measure of the tunneling probability. II. Terahertz Emission of Exciton Wave Packets in Semiconductor Superlattices. By means of Terahertz spectroscopy, the coherent intraband dynamics of exciton wave packets in biased superlattices after the selective ultrafast excitation of the Wannier-Stark ladder spectrum was investigated. The dynamics of Bloch oscillations was investigated under broadband excitation. It is demonstrated, that the Bloch oscillation amplitude can be controlled by altering the pump pulse energy. The xperimental results can only be explained in a full exciton picture, incorporating bound 1s exciton states and the associated exciton in-plane continuum. The intraband dipole of single Wannier-Stark ladder excitons was measured by detecting the Terhartz response after excitation of the Wannier-Stark ladder with a spectrally narrow rectangular pump pulse. In addition, experiments revealed a previously unknown mechanism for the generation of Bloch oscillating exciton wave packets. This was demonstrated for an incident pump spectrum which was too narrow to excite a superposition of Wannier-Stark ladder states. The effect is based on the sudden, non-adiabatic, change in the net dc internal field due to creation of electron-hole pairs with permanent dipole moments. The non-adiabatic generation of Bloch oscillations is a highly nonlinear effect mediated by strong exciton-exciton interactions.The central role that play exciton-exciton interactions in the intraband dynamics became especially evident when the Wannier-Stark ladder was selectively excited by two spectrally narrow laser lines. The experiments demonstrated a resonant enhancement of the intraband transition matrix element when 1s exciton wavepackets are excited. / In Halbleiter-Übergittern kann die Bandstruktur von Ladungsträgern durch die geeignete Wahl der Geometrie eingestellt werden. Deshalb sind Halbleiter-Übergitter ein Modellsystem für Untersuchungen des kohärenten Ladungstransportes im periodischen Potential bei hohen, statischen, elektrischen Feldern. Diese Doktorarbeit ist in zwei Teile untergliedert. I. Zener-Tunneln in Halbleiter-Übergittern In dieser Arbeit werden Halbleiter-Übergitter mit flachen Barrieren und schmalen Bandlücken eingesetzt, um den Effekt des Zener-Durchbruchs zu untersuchen. In diesen Strukturen wird das Zener-Tunneln im Elektronen-Spektrum der Wannier-Stark-Leiter adressiert. Dabei handelt es sich um die Kopplung von Elektronen-Zuständen eines einzelnen Minibandes unterhalb der Potentialbarriere des Quantentopfes mit Zuständen oberhalb der Barriere. Die Feldabhängigkeit der Wannier-Stark-Leiter-Zustände wurde im optischen Interband-Spektrum detektiert. Übergitter mit unterschiedlichen Geometrien wurden untersucht, um den Einfluss der spezifischen Miniband-Struktur auf die Charakteristiken des Zener-Tunnelns aufzuklären. Es wurde gezeigt, dass im Regime des Zener-Tunnelns das Wannier-Stark-Leiter-Bild nicht mehr gültig ist. Dabei wird demonstriert, dass Tunneln zu einer feldabhängigen Delokalisierung der Wannier-Stark-Leiter-Zustände führt. Außerdem wird die Kohärenz-Lebensdauer der Polarisation analysiert. Sie bildet die Tunneln-Wahrscheinlichkeit ab. II. Terahertz Emission von Exzitonen-Wellen-Paketen in Halbleiter-Übergittern Mit Hilfe von Terahertz-Spektroskopie wurde die kohärente Intraband-Dynamik von Exzitonen-Wellen-Paketen in vorgespannten Halbleiter-Übergittern nach der selektiven, ultrakurzen Anregung des Wannier-Stark-Leiter-Spektrums untersucht. Die Dynamik von Bloch-Oszillatonen wurde durch spektral breitbandiger Anregung detektiert. Es wird gezeigt, dass die Amplitude von Bloch-Oszillationen durch die Änderung der Energie des Anrege-Pulses beeinflusst werden kann. Die experimentellen Resultate können nur in einem ganzheitlichen Exzitonenbild erklärt werden. Es umfaßt die gebundenen 1s-Exziton-Zustände und das zugehörige Exzitonen-Kontinuum in der Quantentopfschicht. Der Intraband-Dipol einzelner Wannier-Stark-Leiter-Exzitonen wurde durch die Detektion der Terahertz-Antwort auf die Anregung der Wannier-Stark-Leiter mit einem spektral schmalen Anrege-Puls vermessen. Außerdem wird in den Experimenten ein zuvor ungekannten Mechanismus der Anregung von bloch-oszillierenden Wellen-Paketen beobachtet. Dieser Effekt wird für ein eingestrahltes Anrege-Spektrum, welches spektral zu schmal für die Anregung einer Überlagerung von Wannier-Stark-Leiter-Zuständen ist, demonstriert. Der Mechanismus basiert auf die unmittelbare, nicht-adiabatische Änderung des effektiven, internen, statischen Feldes auf Grund der Anregung von Elektron-Loch-Paaren mit permanentem Dipolmoment. Die nicht-adiabatische Anregung von Bloch-Oszillationen ist ein hoch nicht-linearer Effekt, der durch starke Exziton-Exziton Wechselwirkung vermittelt wird. Die zentrale Rolle, die die Exziton-Exziton Wechselwirkung in der Intraband-Dynamik spielt, wurde besonders deutlich bei der selektiven Anregung der Wannier-Stark-Leiter durch zwei spekral schmale Laserlinien. Die Experimente demonstrieren eine resonante Überhöhung des Intraband-Übergangs-Matrix-Elements, wenn 1s-Exziton-Wellen-Pakete angeregt werden.