Thermistor material can be used to fabricate un-cooled IR detectors their figure of merit is the Temperature Coefficient of Resistance (TCR). Ge dots in Si can act as a thermistor material and they have a theoretical TCR higher than for SiGe layers but they suffer from intermixing of Si into the Ge dots. Ge dots were grown on unstrained or strained Si layers and relaxed or strained SiGe layers at temperatures of 550 and 600°C by reduced pressure chemical vapor deposition (RPCVD). Both single and multilayer structures where grown and characterized. To achieve a strong signal in a thermal detector a uniform shape and size distribution of the dots is desired. In this thesis work, an endeavor has been to grow uniform Ge dots with small standard deviation of their size. Scanning electron microscopy (SEM) and Atomic force microscopy (AFM) have been used to characterize the size and shape distribution of Ge dots. Ge contents measured with Raman spectroscopy are higher at lower growth temperatures. Simulation of TCR for the most uniform sample grown at 600°C give 4.43%/K compared to 3.85%/K for samples grown at 650°C in a previous thesis work. Strained surfaces increases dot sizes and make dots align in crosshatched pattern resulting in smaller density, this effect increases with increasing strain. Strain from buried layers of Ge dots in a multilayer structure make dots align vertically. This alignment of Ge dots was very sensitive to the thickness of the Si barrier layer. The diameter of dots increase for each period in a multilayer structure. When dots are capped by a Si layer at the temperature of 600°C intermixing of Si into the Ge dot occurs and the dot height decrease.

Résumé : Les circuits photoniques intégrés qui combinent des dispositifs photoniques pour la génération, la détection, la modulation, l'amplification, la commutation et le transport de la lumière dans une puce, ont été rapportés comme étant une innovation technologique importante qui simplifie la conception du système optique et qui réduit l'espace et la consommation de l'énergie en améliorant ainsi la fiabilité. La capacité de modifier la bande interdite des zones sélectives des différents dispositifs photoniques à travers la puce est la clé majeure pour le développement de circuits photoniques intégrés. Comparé à d'autres méthodes d’épitaxie, l’interdiffusion de puits quantiques a attiré beaucoup d'intérêt en raison de sa simplicité et son efficacité en accordant la bande interdite durant le processus de post-épitaxie. Cependant, l’interdiffusion de puits quantiques a subi des problèmes reliés au manque de précision pour modifier convenablement la bande interdite ciblée et à l’incontrôlabilité de l’absorption des impuretés au cours du processus qui peut dégrader la qualité du matériel interdiffusé. Dans cette thèse, nous avons utilisé les lasers excimer pour créer des défauts à proximité de la surface (~ 10 nm) des microstructures à base de puits quantiques III-V (par exemple InP et GaAs) et pour induire l’interdiffusion après le recuit thermique. L'irradiation par les lasers excimer (ArF et KrF) des microstructures à puits quantiques a été réalisée dans différents environnements, y compris l'air, l'eau déionisée, les couches diélectriques (SiO2 et Si3N4) et les couches d’InOx. Pour proposer un bon contrôle de la technique d’interdiffusion de puits quantiques par laser excimer, nous avons étudié la génération et la diffusion de défauts de surface en utilisant différentes méthodes de caractérisation de surface/interface, comme l'AFM, SEM, XPS et SIMS qui ont été utilisées pour analyser la modification de la morphologie de surface/interface et la modification chimique de la microstructure de ces puits quantiques. La qualité des microstructures à puits quantiques étudiées a été représentée par des mesures de photoluminescence et de luminescence des diodes lasers ainsi fabriqués. Les résultats montrent que le laser excimer induit des quantités d'oxydes de surface dans les surfaces des microstructure à puits quantiques InP/InGaAs/InGaAsP dans l'air et des impuretés d'oxygène des couches d'oxydes diffusées dans la région active de la microstructure lors du recuit, ce qui améliore l’interdiffusion, mais réduit l'intensité de la photoluminescence. Par contre, l’irradiation dans un environnement d'eau déionisée n’a pas démontré de diffusion des impuretés évidentes d'un excès d'oxygène vers les régions actives, mais la stœchiométrie de surface a été restaurée après l’interdiffusion. L’InOx a été trouvé avec un grand coefficient de dilatation thermique dans la microstructure interdiffusée qui était supposée d’augmenter la contrainte de compression dans la région active et ainsi d’augmenter l'intensité de photoluminescence de 10 fois dans l’échantillon irradié dans l'eau déionisée. Concernant les microstructures avec une couche diélectrique, la modification de la bande interdite a été toujours réalisée sur des échantillons dont les couches diélectriques ont été irradiées et la surface de InP a été modifiée par le laser excimer. Pour l'échantillon avec une couche de 243 nm de SiO2, les variations de la photoluminescence ont été mesurées sans l’ablation de cette couche de SiO2 lors de l'irradiation par le laser KrF. Cependant, la morphologie de l'interface d’InP a été modifiée, les oxydes d'interface ont été générés et les impuretés d'oxygène se sont diffusées à l'intérieur des surfaces irradiées. Les améliorations de l’interdiffusion dans les deux surfaces non irradiées et irradiés de l'échantillon couvert de couche d’InOx ont démontré l'importance des oxydes dans l’interdiffusion des puits quantiques. Les diodes laser fabriquées à partir d’un matériau interdiffusé par un laser KrF ont montré un seuil de courant comparable à celui des matériaux non interdiffusés avec un décalage de photoluminescence de 100 nm. En combinant un masque d'aluminium, nous avons créé un déplacement uniforme de photoluminescence de 70 nm sur une matrice rectangulaire de 40 μm x 200 μm ce qui présente un potentiel d’application de l’interdiffusion des puits quantiques par les lasers excimer dans les circuits photoniques intégrés. En outre, les lasers excimer ont été utilisés pour créer des structures de nano-cônes auto-organisées sur des surfaces de microstructure de InP/InGaAs/InGaAsP en augmentant l'intensité de PL par ~ 1.4 fois. Les lasers excimer ont été aussi utilisés pour modifier la mouillabilité sélective des zones d’une surface de silicium par une modification chimique de surface induite par laser dans différents milieux liquides. Ainsi, la fluorescence des nanosphères a été réussie pour des fonctions de configuration spécifique avec une surface de silicium. // Abstract : Photonic integrated circuits (PICs) which combine photonic devices for generation, detection, modulation, amplification, switching and transport of light on a chip have been reported as a significant technology innovation that simplifies optical system design, reduces space and power consumption, improves reliability. The ability of selective area modifying the bandgap for different photonic devices across the chip is the important key for PICs development. Compared with other growth methods, quantum well intermixing (QWI) has attracted amounts of interest due to its simplicity and effectiveness in tuning the bandgap in post-growth process. However, QWI has suffered problems of lack of precision in achieving targeted bandgap modification and uncontrollable up-taking of impurities during process which possibly degrade the quality of intermixed material. In this thesis, we have employed excimer laser to create surface defects in the near surface region (~ 10 nm) of III-V e.g. InP and GaAs, based QW microstructure and then annealing to induce intermixing. The irradiation by ArF and KrF excimer lasers on the QW microstructure was carried out surrounded by different environments, including air, DI water, dielectric layers (SiO2 and Si3N4) and InOx coatings. To propose a more controllable UV laser QWI technique, we have studied surface defects generation and diffusion with various surface/interface characterization methods, like AFM, SEM, XPS and SIMS, which were used to analyse the QW surface/interface morphology and chemical modification during QWI. The quality of processed QW microstructure was represented by photoluminescence measurements and luminescence measurements of fabricated laser diodes. The results shows that excimer laser induced amounts of surface oxides on the InP/InGaAs/InGaAsP microstructure surface in air and the oxygen impurities from oxides layer diffused to the active region of the QW microstructure during annealing, which enhance intermixing but also reduce the PL intensity. When irradiated in DI water environment, no obvious excessive oxygen impurities were found to diffuse to the active regions and the surface stoichiometry has been restored after intermixing. InOx with large coefficient of thermal expansion was found inside the intermixed QW microstructure, which was supposed to increase the compressive strain in active region and enhance the PL intensity to maximum 10 times on sample irradiated in DI water. On microstructure coated with dielectric layers, bandgap modifications were always found on samples whose dielectric layers were ablated and InP surface was modified by excimer laser. On sample coated with 243 nm SiO2 layer, the PL shifts were found on sample without ablation of the SiO2 layer when irradiated by KrF laser. However, the InP interface morphology was modified, interface oxides were generated and oxygen impurities have diffused inside on the irradiated sites. The enhancements of interdiffusion on both non irradiated and irradiated sites of sample coated with InOx layer have verified the importance of oxides in QWI. The laser diodes fabricated from KrF laser intermixed material have shown comparable threshold current density with as grown material with PL shifted by 133 nm. Combined aluminum mask, we have created uniform 70 nm PL shifts on 40 μm x 200 μm rectangle arrays which presents UV laser QWI potential application in PICs. In addition, excimer lasers have been used to create self organized nano-cone structures on the surface of InP/InGaAs/InGaAsP microstructure and enhance the PL intensity by ~1.4x. Excimer lasers have selective area modified wettability of silicon surface based on laser induced surface chemical modification in different liquid environments. Then the fluorescence nanospheres succeeded to specific pattern functions with silicon surface.

Understanding thermal transport in nanoscale is important for developing nanostructured thermolelectric materials and for heat management in nanoelectronic devices. This dissertation is devoted to understand thermal transport through SiGe based superlattices. First, we systematically studied the cross-plane thermal conductivity of SiGe superlattices by varying the thickness of Si(Ge) spacers thickness. The observed additive character of thermal resistance of the SiGe nanodot/planar layers allows us to engineer the thermal conductivity by varying the interface distance down to ~1.5 nm. Si-Ge intermixing driven by Ge surface segregation is crucial for achieving highly diffusive phonon scattering at the interfaces. By comparing the thermal conductivity of nanodot Ge/Si superlattices with variable nanodot density and superlattices with only wetting layers, we find that the effect of nanodots is comparable with that produced by planar wetting layers. This is attributed to the shallow morphology and further flattening of SiGe nanodots during overgrowth with Si. Finally, the experiments show that the interface effect on phonon transport can be weakened and even eliminated by reducing the interface distance or by enhancing Si-Ge intermixing around the interfaces by post-growth annealing. The results presented in this dissertation are expected to be relevant to applications requiring optimization of thermal transport for heat management and for the development of thermoelectric materials and devices based on superlattice structures. / Verständnis des thermischen Transport auf Nanoskala ist sowohl grundlegend für die Entwicklung nanostrukturierter Materialien, als auch für Temperaturkontrolle in nanoelektronischen Bauteilen. Diese Dissertation widmet sich der Erforschung des thermischen Transports durch SiGe basierenden Übergittern. Variationen, der Si(Ge) Schichtdicken, wurden zur systematischen Untersuchung der Normalkomponente zur Wachstumsrichtung der Wärmeleitfähigkeit, von SiGe Übergittern, genutzt. Die Beobachtung des additiven Charakters, des thermischen Widerstands, der SiGe Schichten, mit oder ohne Inselwachstum, ermöglicht die Erstellung von Strukturen mit bestimmter Wärmeleitfähigkeiten durch die Variation der Schichtdicken bis zu einer Minimaldistanz zweier Schichtübergänge von ~1.5nm. Die Ge Segregation führt zu einer Vermischung, von Si und Ge, welche eine essentielle Rolle zur diffusen Phononenstreuung spielt. Unsere Untersuchungen, von planaren Übergittern und Übergittern mit variabler Inseldichte, zeigen, dass Inseln und planare Schichten zu einer vergleichbaren Reduktion, der Wärmeleitfähigkeit, führen. Diese Beobachtung lässt sich, sowohl auf die flache Morphologie als auch die Abplattung der SiGe Inseln, aufgrund der Überwachsung mit Si, zurückführen. Die Experimente zeigen außerdem, dass sich der Barriereneffekt, der Schichtgrenzen, durch Reduktion der Schichtabstände und durch verstärkte Vermischung im Bereich der Schichtgrenzen, durch Erhitzung, eliminieren lässt. Die präsentierten Messungen sind sowohl, für die Entwicklung jener Bauteile, die eine Optimierung des thermischen Transports oder Temperaturmanagment erfordern, als auch von thermoelektrischen Matieralien und Bauteilen, basierend auf Übergittern, relevant.

A monolithically integrated broadly tunable MQW laser that utilizes a combined impurity-free vacancy disordering (IFVD) of quantum wells and optical beam steering techniques is proposed and investigated experimentally. The device consists of a beam-steering section and an optical amplifier section fabricated on a GaAs/AlGaAs quantum well (QW) p-i-n heterostructure. The beam steering section forms a reconfigurable optical waveguide that can be moved laterally by applying separately controlled electrical currents to two parallel contact stripes. The active core of the gain section is divided in into selectively intermixed regions. The selective intermixing of the QW in the gain section results in neighboring regions with different optical bandgaps. The wavelength tuning is accomplished by steering the amplified optical beam through the selected region where it experiences a peak in the gain spectrum determined by the degree of intermixing of the QW. The laser wavelength tunes to the peak in the gain spectrum of that region. The IFVD technique relies on a silica (SiO2) capped rapid thermal annealing and it has been found that the degree of intermixing of the QW with the barrier material is dependent on the thickness of the SiO2 film. The QW sample is first encapsulated with a 400nm thick SiO2 film grown by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). In the gain section, the SiO2 film is selectively etched using multiple photolithographic and reactive ion etching steps whereas the SiO2 film is left intact in all the remaining areas including the beam-steering section. The selective area quantum well intermixing is then induced by a single rapid thermal annealing step at 975°C for a 20s duration to realize a structure with quantum well that has different bandgaps in the key regions. Optical characterizations of the intermixed regions have shown a blue shift of peak of the electroluminescence emission of 5nm, 16nm and 33nm for the uncapped, 100nm and 200nm iv respectively when compared to the as grown sample. The integrated laser exhibited a wavelength tuning range of 17nm (799nm to 816nm). Based on the same principle of QW selective intermixing, we have also designed and fabricated a monolithically integrated multi-wavelength light emitting diode (LED). The LED emits multiple wavelength optical beams from one compact easy to fabricate QW structure. Each wavelength has an independent optical power control, allowing the LED to emit one or more wavelengths at once. The material for the LED is the same AlGaAs/GaAs QW p-i-n heterostructure described above. The device is divided into selectively intermixed regions on a single QW structure using IFVD technique to create localized intermixed regions. Two different designs have been implemented to realize either an LED with multiple output beams of different wavelengths or an LED with a single output beam that has dual wavelength operation capabilities. Experimental results of the multiple output beams LED have demonstrated electrically controlled optical emission of 800nm, 789nm and 772nm. The single output LED has experimentally been shown to produce wavelength emission of 800nm and/or 772nm depending on electrical activation of the two aligned intermixed regions.

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Abstract : Photonic Integrated Circuits (PIC) are of tremendous interest for photonics system in order to reduce their power consumption, size, fabrication cost and improve their reliability of fiber optics linked discrete component architecture. However, unlike for microelectronics, in photonics different heterostructures are required depending on the type of device (laser sources, detectors, modulators, passive waveguides…). Therefore photonics integration needs a technology able to produce multiple bandgap energy wafers with a suitable final material quality in a reproducible manner and at a competitive cost: a technological challenge that has not been completely solved yet. Quantum Well Intermixing (QWI) is a post growth bandgap tuning process based on the localized and controlled modification of quantum well composition profile that aims to address these matters. UV laser induced QWI (UV-Laser-QWI) relies on high power excimer laser to introduce point defects near the heterostructure surface. By adjusting the laser beam shape, position, fluence and the number of pulse delivered, the different regions to be intermixed can be defined prior to a rapid thermal annealing step that will activate the point defects diffusion across the heterostructure and generate quantum well intermixing. UV-LaserQWI presents the consequent advantage of allowing the patterning of multiple bandgap regions without relying on photolithographic means, thus offering potentially larger versatility and time efficiency than other QWI processes. UV-Laser-QWI reproducibility was studied by processing samples from an InGaAs/InGaAsP/InP 5 quantum well heterostructure emitting at 1.55 µm. 217 different sites on 12 samples were processed with various laser doses. The quantum well intermixing generated was then characterized by room temperature photoluminescence (PL) mapping. Under those experimental conditions, UV-Laser-QWI was able to deliver heterostructures with a PL peak wavelength blue shift controlled within a +/- 15 % range up to 101.5nm. The annealing temperature proved to be the most critical parameter as the PL peak wavelength in the laser irradiated areas varied at the rate of 1.8 nm per degree Celsius. When processing a single wafer, thus limiting the annealing temperature variations, the bandgap tuned regions proved to be deliverable within ± 7.9%, hence establishing the potential of UV-Laser-QWI as a reproducible bandgap tuning solution. The UV-Laser-QWI was used to produce multiple bandgap wafers for the fabrication of broad spectrum superluminescent diodes (SLD). Multiple bandgap energy profiles were tested and their influence on the SLDs’ performances was measured. The most favorable bandgap modifications for the delivery of a very broadband emitting SLD were analyzed, as well as the ones to be considered for producing devices with a flat top shaped spectrum. The intermixed SLDs spectra reached full width at half maximum values of 100 nm for a relatively flattop spectrum which compare favorably with the ≈ 40nm of reference devices at equal power. The light-intensity characteristics of intermixed material made devices were very close to the ones of reference SLD made from as-grown material which let us think that the alteration of material quality by the intermixing process was extremely limited. These results demonstrated that the suitability of UV-Laser-QWI for concrete application to photonic devices fabrication. Finally, an alternative laser QWI technique was evaluated for SLD fabrication and compared to the UV laser based one. IR-RTA relies on the simultaneous use of two IR laser to anneal local region of a wafer: a 980 nm laser diode coupled to a pigtailed fiber for the wafer background heating and a 500 µm large beam TEM 00 Nd:YAG laser emitting at 1064 nm to anneal up to intermixing temperature a localized region of the wafer. The processed samples exhibited a 33 % spectral width increase of the spectrum compare to reference device at equal power of 1.5 mW. However, the PL intensity was decreased by up to 60 % in the intermixed regions and the experiments proved the difficulty to avoid these material degradations of material quality with IR-RTA. / Résumé : L’intégration de circuit photonique vise à réduire la consommation énergétique, la taille, le coût et les risques de panne des systèmes photoniques traditionnels faits de composants distincts connectés par fibre optique. Cependant, contrairement à la microélectronique, des hétérostructures spécifiques sont requises pour chaque composant : lasers, détecteurs, modulateurs, guides d’ondes… De cette constatation découle le besoin d’une technologie capable de produire des gaufres d’hétérostructures III/V de qualité à plusieurs énergies de gap, et ce de façon reproductible pour un coût compétitif. Aucune des techniques actuelles ne répond pour l’instant pleinement à tous ces impératifs. L’interdiffusion de puits quantique (IPQ) est un procédé post épitaxie basé sur la modification locale de la composition des puits quantiques. L’IPQ induite par laser UV (IPQ-UV) est basée sur l’utilisation de laser excimer (Argon-Fluor émettant à 193 nm ou Krypton-Fluor à 248 nm) pour introduire des défauts ponctuels à la surface de l’hétérostructure. En ajustant la taille du faisceau, sa position, son énergie ainsi que le nombre d’impulsions laser délivrées à la surface du matériau, on peut définir les régions à interdiffuser ainsi que leur futur degré d’interdiffusion. Un recuit de la gaufre active ensuite la diffusion des défauts et par conséquent l’interdiffusion du puits. L’IPQ-UV présente l’avantage considérable de se passer de photolithographie pour définir les zones de différentes énergies de gap, diminuant ainsi la durée et potentiellement le coût du procédé. La reproductibilité de l’IPQ-UV a été étudiée pour l’interdiffusion d’une structure à 5 puits quantiques d’InGaAs/InGaAsP/InP émettant à 1.55 µm. 217 régions sur 12 échantillons ont été irradiés par un laser KrF avec des nombres d’impulsion variables selon les sites et avec une densité d’énergie constante de 155 mJ/cm². Les modifications de la structure générée par ce traitement furent ensuite mesurées par cartographie en photoluminescence (PL) à température ambiante. L’analyse des données montra que l’IPQ-UV permet un contrôle du décalage vers le bleu du pic de PL à +/- 15 % jusqu’à 101.5nm. La température du recuit est apparue comme le paramètre crucial du procédé, puisque la longueur d’onde du pic de PL des zones interdiffusées varie de 1.8 nm par degré Celsius. En considérant les sites irradiés sur une seule gaufre, c’est à dire en s’affranchissant des variations de température entre deux recuits de notre système, la variation du pic de PL est contrôlable dans une plage de ± 7.9%. Ces résultats démontrent le potentiel de l’IPQ-UV en tant que procédé reproductible de production de gaufre à plusieurs énergies de gap. L’IPQ-UV a été utilisé pour la fabrication de diodes superluminescentes (DSLs). Différents type de structure à énergie de gap multiple ont été testés et leurs influences sur les performances spectrales des diodes évalués. Les spectres des DSLs faites de matériau interdiffusé ont atteint des largeurs à mi-hauteur dépassant les 100 nm (jusqu’à 132 nm), ce qui est une amélioration conséquente des ≈ 40nm des DSLs de référence à puissance égale. Les caractéristiques intensité–courant des DSLs interdiffusés furent mesurées comme étant très proches de celle des dispositifs de référence faits de matériau brut, ce qui suggère que l’IPQ-UV n’a pas ou très peu altéré la qualité du matériau initial. Ces résultats prouvent la capacité de l’IPQ-UV à être utilisé pour la fabrication de dispositifs photoniques. Une technique alternative d’IPQ par laser a été évaluée et comparée à l’IPQ-UV pour la fabrication de DSL. Le recuit rapide par laser IR est basé sur l’utilisation simultanée de deux lasers IR pour chauffer localement l’hétérostructure jusqu’à une température suffisante pour provoquer l’interdiffusion: une diode laser haute puissante émettant à 980 nanomètre couplée dans une fibre chauffe la face arrière de la gaufre sur une large surface à une température restant inférieure à celle requise pour provoquer l’interdiffusion et un laser Nd:YAG TEM 00 émettant à 1064 nm un faisceau de 500 µm de large provoque une élévation de température additionnelle localisée à la surface de l’échantillon, permettant ainsi l’interdiffusion de l’hétérostructure. Les dispositifs fabriqués ont montré une augmentation de 33 % de la largeur à mi-hauteur du spectre émis à puissance égale de 1.5 mW. Cependant, l’intensité du pic de PL dans les zones interdiffusées est diminuée de 60 %, suggérant une dégradation du matériau et la difficulté à produire un matériau de qualité satisfaisante.

Understanding thermal transport in nanoscale is important for developing nanostructured thermolelectric materials and for heat management in nanoelectronic devices. This dissertation is devoted to understand thermal transport through SiGe based superlattices. First, we systematically studied the cross-plane thermal conductivity of SiGe superlattices by varying the thickness of Si(Ge) spacers thickness. The observed additive character of thermal resistance of the SiGe nanodot/planar layers allows us to engineer the thermal conductivity by varying the interface distance down to ~1.5 nm. Si-Ge intermixing driven by Ge surface segregation is crucial for achieving highly diffusive phonon scattering at the interfaces. By comparing the thermal conductivity of nanodot Ge/Si superlattices with variable nanodot density and superlattices with only wetting layers, we find that the effect of nanodots is comparable with that produced by planar wetting layers. This is attributed to the shallow morphology and further flattening of SiGe nanodots during overgrowth with Si. Finally, the experiments show that the interface effect on phonon transport can be weakened and even eliminated by reducing the interface distance or by enhancing Si-Ge intermixing around the interfaces by post-growth annealing. The results presented in this dissertation are expected to be relevant to applications requiring optimization of thermal transport for heat management and for the development of thermoelectric materials and devices based on superlattice structures. / Verständnis des thermischen Transport auf Nanoskala ist sowohl grundlegend für die Entwicklung nanostrukturierter Materialien, als auch für Temperaturkontrolle in nanoelektronischen Bauteilen. Diese Dissertation widmet sich der Erforschung des thermischen Transports durch SiGe basierenden Übergittern. Variationen, der Si(Ge) Schichtdicken, wurden zur systematischen Untersuchung der Normalkomponente zur Wachstumsrichtung der Wärmeleitfähigkeit, von SiGe Übergittern, genutzt. Die Beobachtung des additiven Charakters, des thermischen Widerstands, der SiGe Schichten, mit oder ohne Inselwachstum, ermöglicht die Erstellung von Strukturen mit bestimmter Wärmeleitfähigkeiten durch die Variation der Schichtdicken bis zu einer Minimaldistanz zweier Schichtübergänge von ~1.5nm. Die Ge Segregation führt zu einer Vermischung, von Si und Ge, welche eine essentielle Rolle zur diffusen Phononenstreuung spielt. Unsere Untersuchungen, von planaren Übergittern und Übergittern mit variabler Inseldichte, zeigen, dass Inseln und planare Schichten zu einer vergleichbaren Reduktion, der Wärmeleitfähigkeit, führen. Diese Beobachtung lässt sich, sowohl auf die flache Morphologie als auch die Abplattung der SiGe Inseln, aufgrund der Überwachsung mit Si, zurückführen. Die Experimente zeigen außerdem, dass sich der Barriereneffekt, der Schichtgrenzen, durch Reduktion der Schichtabstände und durch verstärkte Vermischung im Bereich der Schichtgrenzen, durch Erhitzung, eliminieren lässt. Die präsentierten Messungen sind sowohl, für die Entwicklung jener Bauteile, die eine Optimierung des thermischen Transports oder Temperaturmanagment erfordern, als auch von thermoelektrischen Matieralien und Bauteilen, basierend auf Übergittern, relevant.

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Die epitaktische Wachstum von GeTe Dünnschichten und Sb2Te3/GeTe Übergittern durch Molekularstrahlepitaxie wird auf drei verschiedenen Silizium Oberflächen gezeigt: Si(111)−(7×7), Si(111)−(√3×√3)R30°−Sb, und Si(111)−(1×1)−H. Mit Röntgenstrukturanalyse wird bewiesen, dass die epitaktische Beziehung der GeTe Schicht von der Oberflächepassievierung abhängig ist; auf einer passivierten Fläche können verdrehte Domänen unterdrückt sein. Dieses Verhalten ähnelt dem, welches bei 2D Materialien zu erwarten wäre, und wird auf die Schwäche der Resonanten ungebundenen Zustände zurückgeführt, die durch Peierls Verzerrung noch schwächer werden. / The growth by molecular beam epitaxy of GeTe and Sb2Te3/GeTe superlattices on three differently reconstructed Si(111) surfaces is demonstrated. Namely, these are the Si(111)−(7×7), Si(111)−(√3×√3)R30°−Sb, and Si(111)−(1×1)−H reconstructions. Through X-ray diffraction, the epitaxial relationship of GeTe is shown to depend on the passivation of the surface; in-plane twisted and twinned domains could be suppressed on a passivated surface. This behavior which resembles what would be expected from lamellar materials, is attributed to the relative weakness of resonant dangling bonds, that are further weakened by Peierls distortion.

Aufkonversions-Nanokristalle (UCNC) zeichnen sich als einzigartige Lumineszenzreporter aus, die Nah-infrarotes Anregungslicht in Photonen höherer Energie umwandeln. Für die gezielte Anpassung von Eigenschaften, bedarf es ein tiefes Verständnis der Prozesse der Aufwärtskonversionslumineszenz (UCL) und deren Abhängigkeit von Material und Partikeldesign. Diese Doktorarbeit untersucht die UCL-Prozesse von Yb3+,Er3+ dotierten SrF2-UCNC und zielt darauf ab, die UCL-Eigenschaften der bisher unterschätzten kubischen Wirtsgitter zu verstehen und zu steigern. Hierbei wird die fluorolytische Sol-Gel-Synthese als neuartige Syntheseroute für UCNC vorgestellt. Vorteile wie ausgezeichnete Reproduzierbarkeit, viele Freiheitsgrade bei der Temperaturbehandlung und Partikelgestaltung werden anhand von SrF2 UCNC demonstriert. Die UCNC wurden mittels UCL-Spektren, UCL-Quantenausbeuten, leistungsdichte-abhängiger relativer spektraler Verteilung sowie der Lumineszenzabklingkinetiken unter Einbeziehung kristalliner Eigenschaften wie der Kristallphase, der Kristallitgröße, der Gitterparameter und der Teilchengröße untersucht. Die Abhängigkeit der UCL-Eigenschaften von der Dotierungsmenge wurde mit einer umfassenden Dotierungsreihe beschrieben und der optimale Dotierungsbereich (Yb3+,Er3+) von kleinen, ungeschalten SrF2-UCNC eingegrenzt. Bei der Studie dotierter Kerne mit passivierenden Schalen wurde der Einfluss von Temperaturbehandlung auf die UCL-Mechanismen und die Kern-Schale-Vermischung untersucht. Anhand von unterschiedlich kalzinierten UCNC Pulvern wurde die Empfindlichkeit der UCL gegenüber der Änderung kristalliner Eigenschaften, wie Kristallphase, Kristallinität, und Kristallitgröße betrachtet. Zusammen liefern die Dotierungs-, die Kern-Schale- und die Kalzinierungsstudie wertvolle Einblicke in das gitterspezifische Verhalten der UCL-Eigenschaften als Funktion der Energiemigration und der Kristalleigenschaften. / Upconversion nanocrystals (UCNC) represent a unique type of luminescence reporters that convert near-infrared excitation light into higher energy photons. Tailoring UCNC with specific luminescence properties requires an in-depth understanding of upconversion luminescence (UCL) processes and their dependence on material and particle design. This Ph.D. thesis focuses on the UCL processes of Yb3+,Er3+ doped SrF2-UCNC and aims to understand and enhance the UCL properties of the previously underestimated cubic host lattices. Herein, fluorolytic sol-gel synthesis is introduced as a novel synthetic route for UCNC. Advantages such as excellent reproducibility, high flexibility in temperature treatment and particle design are demonstrated using SrF2 UCNC. The UCNC were characterized by UCL spectra, UCL quantum yields, excitation power density-dependent relative spectral distribution, and luminescence decay kinetics involving crystalline properties such as crystal phase, crystallite size, lattice parameters, and particle size. The dependence of UCL properties on doping amount was described in a comprehensive doping study, and the optimal doping range (Yb3+,Er3+) of small, unshelled SrF2-UCNC was identified. In a core-shell study of doped core UCNC with passivating shells, the influence of temperature treatment on UCL mechanisms and core-shell mixing was investigated. Further, using different calcined UCNC powders, the sensitivity of UCL to the change of crystalline properties, such as crystal phase, crystallinity, and crystallite size, was assessed. Together, the doping, core-shell, and calcination studies provide valuable insight into the lattice-specific behavior of UCL properties as a function of energy migration and crystal properties.