Transparente Elektroden finden breite Verwendung in unterschiedlichen kommerziellen Produkten. Dünnschichtsolarzellen basieren ebenso auf diesen Funktionsschichten wie Displays oder organische Leuchtdioden. Im Falle von Dünnschichtsolarzellen kann durch gezielte Einstellung der Oberflächentextur der transparenten Elektrode ein entscheidender Einfluss auf die erreichbare Effizienz genommen werden. Dabei wird eine Verlängerung der Weglänge des Lichtes im Absorbermaterial durch Mehrfachreflexionen angestrebt. Häufig werden dafür Schichten transparenter leitfähiger Oxide (TCO) gezielt texturiert. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung transparenter Elektroden stellt die Verwendung feiner Metallgitter dar. Diese ermöglichen hohe Leitfähigkeiten im Bereich der Gitterstege und hohe Transparenz im Bereich zwischen den Stegen. In dieser Arbeit sollte ein auf nasschemischen Prozessen basierendes Verfahren entwickelt werden, mit dem es möglich ist, sowohl strukturierte TCO-Elektroden als auch Metallgitter unterschiedlicher Geometrien gezielt herzustellen. Die Leistungsfähigkeit der Elektroden sollte anhand der Integration in entsprechende Bauteile bewertet werden. Namentlich sollte dieser Prozess für Cd2SnO4 (engl. Cadmium Tin Oxide, CTO) als ein TCO-Material hoher Transparenz und Leitfähigkeit sowie für Silber und Kupfer als metallische Systeme anwendbar sein. Als zielführende Methode kam die Nanoprägelithographie (von engl. Nanoimprint Lithography, NIL) zum Einsatz. Dieses Verfahren erlaubt die schnelle, einfache und kostengünstige Herstellung strukturierter Oberflächen. Grundsätzlich wird dazu ein strukturierter Elastomerstempel in eine Schicht eines zu vernetzenden Materials gepresst. Während des Pressens findet die Vernetzung statt. Nach anschließender Separation von Stempel und Schicht resultiert eine strukturierte Oberfläche. Gängige Präkursorensysteme für anorganische Verbindungen, bei denen Vernetzungsprozesse ablaufen, stellen Sol-Gel-Methoden und sogenannte polymere Präkursoren dar. Für letztere werden Metallzitrate mit Ethylenglykol verestert, um ein vernetztes Polymer zu generieren. Nach thermischem Entfernen der Organik bleibt das Metalloxid zurück. Im Rahmen dieser Arbeit ist ein Präkursorensystem entwickelt worden, das Metallionen komplexiert, auf Glassubstrate beschichtet werden kann und eine thermische Polymerisation erlaubt. Aus dem erhaltenen polymeren Präkursor konnten die Zielverbindungen durch thermisches Zersetzen einerseits in Pulverform und andererseits über vorhergehende Schleuderbeschichtung in Form dünner Schichten erhalten werden. Im Falle des kubischen Cd2SnO4 wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals eine Nanopulver-Synthese mit phasenreinem Produkt aus flüssigem Präkursor beschrieben. Dafür stellten sich der Anteil der verwendeten organischen Bestandteile sowie die Zersetzungsgeschwindigkeit als entscheidende Einflussparameter heraus. Zudem wurden CTO Dünnschichten mit dem beschriebene Präkursor hergestellt. Eine optimale Brenntemperatur zur Erzeugung phasenreiner CTO-Schichten von 700 ‰ wurde ermittelt. Die Zersetzungsgeschwindigkeit (bzw. Aufheizrate) beeinflusste die Oberflächenmorphologie der erhaltenen Schichten maßgeblich. Eine schrittweise Zersetzung (100 ‰°C, 200 °C‰, Zieltemperatur) führte dabei in effizienter Weise zu kompakten Schichten. Diese zeigten sehr gute optische und elektronische Eigenschaften. So konnten etwa 300 nm dicke CTO-Schichten mit spezifischen Widerständen von ca. 1 • 10^(−5) Ohm m bei einer Transmission von etwa 80 % (inklusive Glassubstrat) erhalten werden. Derartige CTO-Schichten konnten erfolgreich als transparente Frontelektroden für a-Si Dünnschichtsolarzellen verwendet werden. Ein positiver Einfluss periodischer Linienstrukturen auf die Lichteinfangeigenschaften und den resultierenden Photostrom im Vergleich zu flachen CTO-Schichten wurde bestätigt. Auch für die Herstellung von CdTe-Dünnschichtsolarzellen konnten die CTO-Schichten erfolgreich eingesetzt werden. Die erreichten Effizienzen lagen jedoch lediglich im Bereich von 3 bis 3,6 %. Ein signifikanter Unterschied zwischen flachen und strukturierten Proben konnte nicht ausgemacht werden. Durch die reduzierenden Eigenschaften von Zitronensäure und Ethylenglykol gegenüber Ag+ und Cu2+ Ionen war es möglich, die Metalle in elementarer Form durch einfache thermische Behandlung des Präkursors zu erhalten. Während dieser Prozess für silberhaltige Systeme relativ einfach zu realisieren war, musste bei kupferhaltigen Proben die Bildung oxidischer Nebenphasen festgestellt werden. So war für Letzteres eine reduktive Nachbehandlung vollständig oxidierter Proben im Wasserstoffplasma zielführend und lieferte leitfähige Dünnschichten mit hohem Cu(0)-Anteil. Im Falle von Silber führte eine geeignete thermische Behandlung der Präkursorschicht zu dünnen, leitfähigen Silberschichten mit spezifischen Widerständen von ca. 6 • 10^(−8) Ohm m (Festkörper: ca.1 • 10^(−8) Ohm m). Die Übertragung des NIL-Prozesses gelang sowohl für silber- als auch kupferhaltige Systeme. Mit NIL-strukturierten Silberdünnschichten gelang so die Herstellung semitransparenter Elektroden mit spezifischen Widerständen von 2,2 • 10^(−7) Ohm m, welche in Elektrolumineszenzbauteilen verwendet wurden. Aufgrund der relativ niedrigen Temperaturen, die für die Zersetzung des Silberpräkursors nötig waren (ca. 250 ‰ ), war die Fertigung entsprechender Elektroden und Bauteile auch auf Polyimidfolien möglich. Insgesamt bleibt die Erkenntnis, dass NIL-strukturierte dünne Schichten erfolgreich in optoelektronische Bauteile integriert werden konnten. Variable Präkursorsysteme erlauben die Herstellung verschiedener Schichten und somit Anwendungen in unterschiedlichen Bauteilen. Polymere Präkursoren haben sich als geeignet für dieses Vorgehen erwiesen und können relativ einfach auf diverse oxidische Stoffsysteme übertragen werden. Gleichzeitig eignen sie sich zur Herstellung metallischer transparenter Elektroden durch NIL-Strukturierung, was insbesondere im Hinblick auf flexible Bauteile von Vorteil ist.

Diese Arbeit befasst sich mit der Nanostrukturierung von magnetischen Schichtsystemen mit Tunnelmagnetowiderstandseffekt (TMR-Effekt), welche in der Form von Nanosäulen in magnetoresistiven Speichern (MRAM) eingesetzt werden. Solche Nanosäulen können zukünftig ebenfalls als Nanoemitter von Mikrowellensignalen eine Rolle spielen. Dabei wird von der Auswahl eines geeigneten TMR-Schichtsystems mit einer MgO-Tunnelbarriere über die Präparation der Nanosäulen mit Seitenisolierung bis hin zum Aufbringen der elektrischen Zuleitungen eine komplette Prozesskette entwickelt und optimiert. Die Strukturen werden mittels optischer Lithographie und Elektronenstrahllithographie definiert, die anschließende Strukturübertragung erfolgt durch Ionenstrahlätzen (teilweise reaktiv) sowie durch Lift-off. Rückmeldung über Erfolg oder Probleme bei der Strukturierung geben Transmissionselektronenmikroskopie (teilweise mit Zielpräparation per Ionenfeinstrahl, FIB), Rasterelektronenmikroskopie sowie die Lichtmikroskopie. Es können so TMR-Nanosäulen mit minimalen Abmessungen von bis zu 69 nm x 71 nm hergestellt werden, von denen Nanosäulen mit Abmessungen von 65 nm x 87 nm grundlegend magneto-elektrisch charakterisiert worden sind. Dies umfasst die Bestimmung des TMR-Effektes und des Widerstandes der Tunnelbarriere (RA-Produkt). Weiterhin wurde das Verhalten der magnetischen Schichten bei größeren Magnetfeldern bis +-200mT sowie das Umschaltverhalten der magnetisch freien Schicht bei verändertem Winkel zwischen magnetischer Vorzugsachse des TMR-Elementes und dem äußeren Magnetfeld untersucht. Der Nachweis des Spin-Transfer-Torque Effektes an den präparierten TMR-Nanosäulen ist im Rahmen dieser Arbeit nicht gelungen, was mit dem zu hohen elektrischen Widerstand der verwendeten Tunnelbarriere erklärt werden kann. Mit dünneren Barrieren konnte der Widerstand gesenkt werden, allerdings führt ein Stromfluss durch diese Barrieren schnell zur Degradation der Barrieren. Weiterführende Arbeiten sollten das Ziel haben, niederohmige und gleichzeitig elektrisch belastbare Tunnelbarrieren in einem entsprechenden TMR-Schichtsystem abzuscheiden. Eine erste Auswahl an Ansatzpunkten dafür aus der Literatur wird im Ausblick gegeben. / This thesis deals with the fabrication of nanopillars with tunnel magnetoresistance effect (TMR-effect), which are used in magnetoresistive memory (MRAM) and may be used as nanooscillators for future near field communication devices. Starting with the selection of a suitable TMR-layer stack with MgO-tunnel barrier, the whole process chain covering the fabrication of the nanopillars, sidewall isolation and preparation of the supply lines on top is developed and optimised. The structures are defined by optical and electron beam lithography, the subsequent patterning is done by ion beam etching (partially reactive) and lift-off. Techniques providing feedback on the nanofabrication are transmission electron microscopy (partially with target preparation by focused ion beam, FIB), scanning electron microscopy and optical microscopy. In this way nanopillars with minimal dimensions reaching 69 nm x 71 nm could be fabricated, of which nanopillars with a size of 65 nm x 87 nm were characterized fundamentally with respect to their magnetic and electric properties. This covers the determination of the TMR-effect and the resistance of the tunnel barrier (RA-product). In addition, the behaviour of the magnetic layers under higher magnetic fields (up to +-200mT) and the switching behaviour of the free layer at different angles between the easy axis of the TMR-element and the external magnetic field were investigated. The spin transfer torque effect could not be detected in the fabricated nanopillars due to the high electrical resistance of the tunnel barriers which were used. The resistance could be lowered by using thinner barriers, but this led to a quick degradation of the barrier when a current was applied. Continuative work should focus on the preparation of tunnel barriers in an appropriate TMR-stack being low resistive and electrically robust at the same time. A first selection of concepts and ideas from the literature for this task is given in the outlook.

In der vorliegenden Arbeit werden zwei Materialklassen behandelt. Im Hauptteil soll die Synthese und Charakterisierung von molekularen Organo-Silber-Komplexen und deren Einsatz als Tintenmaterial in weichen lithographischen Verfahren beschrieben werden. Dadurch sollen strukturierte Schichten des Komplexes zugänglich sein, welche durch entsprechende Nachbehandlung in elementares Silber umgewandelt werden können, wodurch man schließlich strukturierte Silberelektroden erhält. Der Einsatz solcher strukturierter Elektroden ist für die Weiterentwicklung transparenter elektrisch leitender Schichten, welche man im heutigen Alltag in nahezu jedem elektro-optischen Bauteil findet, essentiell. Bisher beruhen transparente Elektroden vorwiegend auf Zinn dotiertem Indiumoxid (ITO), welches zu den transparent leitfähigen Oxiden (TCOs) gehört und sehr gute elektrische Eigenschaften aufweist. TCOs sind transparente Oxide, welche ihre Leitfähigkeit durch den Einbau von Dotierstoffen und eine damit einhergehende Erzeugung von Störstellen im Kristallgitter erhalten. Aufgrund der anhaltenden Indiumverknappung wird allerdings zunehmend nach Alternativen zu ITO gesucht. Neben weiteren transparent leitfähigen Oxiden wie z.B. Antimon oder Fluor dotiertem Zinnoxid besteht die Möglichkeit, auf leitfähige Polymere, Kohlenstoffmaterialien oder Metalle zurückzugreifen. Diese drei Klassen haben den Vorteil des Einsatzes in flexiblen Bauteilen, welcher bei Verwendung der TCOs aufgrund ihrer Brüchigkeit nur begrenzt möglich ist. Metalle weisen dabei die geringsten elektrischen Widerstände auf und sind daher besonders interessant. Die Herausforderung bei der Verwendung von Metallen liegt allerdings im Erreichen der Transparenz. Durch die Strukturierung der Dünnfilme unterhalb des Wellenlängenbereiches des sichtbaren Lichts kann diese gewährleistet werden. Eine Strukturierung kann zum einen durch z.B. chemische oder physikalische Abscheideprozesse und zum anderen durch die bereits angesprochenen weichen lithographischen Verfahren realisiert werden. Die Entwicklung sogenannter Tinten für solche Druckverfahren auf Basis molekularer Organo-Silber-Komplexe stellt daher ein interessantes Forschungsgebiet dar. In einem zweiten, kleineren Teil dieser Arbeit soll die Synthese neuartiger poröser elementorganischer Gerüstverbindungen (EOFs) auf Basis von Phosphor, Antimon und Bismut und deren katalytische Aktivität vorgestellt werden. Die EOFs wurden erstmals 2008 veröffentlicht und zeichnen sich im Gegensatz zu den ebenfalls bekannten metallorganischen Gerüstverbindungen durch kovalente Element-Kohlenstoff-Bindungen aus. Die Materialien, welche meist auf der Basis von Silanen aufgebaut sind, zeichnen sich durch ihre hohe Stabilität gegenüber Luftsauerstoff und Feuchtigkeit aus und zeigen interessante Eigenschaften in der Wasserdampfphysisorption. Die Adsorption von Wasserdampf findet erst in einem hohen Relativdruckbereich statt, was die stark unpolare Oberfläche der EOFs aufzeigt. Durch diese Eigenschaft weisen die Materialien ein großes Potential für die adsorptive Abtrennung von unpolaren Stoffen aus Wasser oder Luft auf. Durch die Substitution des Siliziums durch Zinn konnte gezeigt werden, dass mit geeigneten Metallpräkursoren ebenfalls EOF-Materialien hergestellt werden können, welche neben den bereits genannten Eigenschaften auch Potential für katalytische Anwendungen zeigen. Dieser Weg sollte in der vorliegenden Arbeit aufgegriffen werden. Durch die Integration der Elemente Phosphor, Antimon und Bismut sollten weitere EOF-Materialien synthetisiert und hinsichtlich ihrer katalytischen Eigenschaften untersucht werden. Ein phosphorhaltiges EOF ist vor allem interessant für postsynthetische Infiltration von Übergangsmetallen. Dadurch können essentielle heterogene Katalysatoren zugänglich sein, welche eine große Bedeutung für die Organokatalyse haben, bei denen bisher vorwiegend die homogenen Analoga verwendet werden. Der Ersatz durch heterogene Katalysatoren würde einen wesentlichen synthetischen Fortschritt mit sich bringen, da diese nach der Reaktion einfach abgetrennt werden können und keine aufwendige Aufarbeitung erforderlich ist.

Molding is a simple manufacturing process whereby fluid fills a master tool and then solidifies in the shape of the tool cavity. The precise nature of material flow during molding has long allowed fabrication of plastic components with sizes 1 mm 1 m. Polymer molding with precise critical dimension control could enable scalable, inexpensive production of micro- and nanostructures for functional or lithographic use. This dissertation reports experiments and simulations on molding of polymer micro- and nanostructures at length scales 1 nm 1 mm. The research investigates two main areas: 1) mass transport during micromolding and 2) polymer mechanical properties during nanomolding at length scales 100 nm. Measurements and simulations of molding features of size 100 nm 1 mm show local mold geometry modulates location and rate of polymer shear and determines fill time. Dimensionless ratios of mold geometry, polymer thickness, and bulk material and process properties can predict flow by viscous or capillary forces, shape of polymer deformation, and mold fill time. Measurements and simulations of molding at length scales 100 nm show the importance of nanoscale physical processes distinct from bulk during mechanical processing. Continuum simulations of atomic force microscope nanoindentation accurately model sub-continuum polymer mechanical response but highlight the need for nanoscale material property measurements to accurately model deformation shape. The development of temperature-controlled nanoindentation enables characterization of nanoscale material properties. Nanoscale uniaxial compression and squeeze flow measurements of glassy and viscoelastic polymer show film thickness determines polymer entanglement with cooperative polymer motions distinct from those observed in bulk. This research allows predictive design of molding processes and highlights the importance of nanoscale mechanical properties that could aid understanding of polymer physics.

Organic molecules such as porphyrins and alkanethiols are currently being investigated for applications such as sensors, light-emitting diodes and single electron transistors. Porphyrins are stable, highly conjugated compounds and the choice of metal ion and substituents bound to the macrocycle as well as other effects such as chemical surrounding and cluster size modulate the electronic and photonic properties of the molecule. Porphyrins and their derivatives are relatively non-toxic and their very rich photo- and electro-chemistry, and small HOMO-LUMO gaps make them outstanding candidates for use in molecularly-enhanced electronic applications. For these studies, self-assembled tri-pyridyl porphyrin thiol derivatives have been fully characterized on Au(111) surfaces. A variety of surface characterization techniques such as Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Tunneling Microscopy (STM), FT-IR spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) have been implemented in order to obtain information regarding the attachment orientation based on the angle and physical height of the molecule, conductivity which is determined based on the apparent height and current-voltage (I-V) measurements of the molecule, conductance switching behavior due to conformational or other effects as well as the stability of the molecular ensembles. Specifically, the transport properties of free base and zinc coordinated tri-pyridyl porphyrin thiol molecular islands inserted into a dodecanethiol matrix on Au(111) were investigated using STM and cross-wire inelastic electron tunneling spectroscopy (IETS). The zinc porphyrin thiol islands observed by STM exhibited reversible bias induced switching at high surface coverage due to the formation of Coulomb islands of ca. 10 nm diameter driven by porphyrin aggregation. Low temperature measurements (~ 4 K) from crossed-wire junctions verified the appearance of a Coulomb staircase and blockade which was not observed for single molecules of this compound or for the analogous free base. Scanning probe lithography via nanografting has been implemented to directly assemble nanoscale patterns of zinc porphyrin thiols and 16-mercapotohexadecanoic acid on Au surfaces. Matrix effects during nanopatterning including solvent and background SAMs have been investigated and ultimately ~ 10 nm islands of zinc porphyrins have been fabricated which is the optimal size for the observed switching effect.

<p>Photonic crystals (PhCs) are structures periodic in thedielectric constant. They exhibit a photonic bandgap, i.e., arange of wavelengths for which light propagation is forbidden.Engineering of defects in the PhC lattice offers new ways toconfine and guide light. PhCs have been manufactured usingsemiconductors and other material technologies. This thesisfocuses on two-dimensional PhCs etched in InP-based materials.Only recently, such structures were identified as promisingcandidates for the realization of novel and advanced functionsfor optical communication applications.</p><p>The primary focus was on fabrication and characterization ofPhC structures in the InP/GaInAsP/InP material system. Thedemands on fabrication are very high: holes as small as100-300nm in diameter have to be etched at least as deep as 2µm. Thus, different etch processes had to be explored andspecifically developed for InP. We have implemented an etchingprocess based on Ar/Cl₂chemically assisted ion beam etching (CAIBE), thatrepresents the state of the art PhC etching in InP.</p><p>Different building blocks were manufactured using thisprocess. A transmission loss of 10dB/mm for a PhC waveguide, areflection of 96.5% for a 4-row mirror and a record qualityfactor of 310 for a 1D cavity were achieved for this materialsystem. With an etch depth of 4.5 µm, optical loss wasfound to be close to the intrinsic limit. PhC-based opticalfilters were demonstrated using (a) a Fabry-Pérot cavityinserted in a PhC waveguide and (b) a contra-directionalcoupler. Lag effect in CAIBE was utilized positively to realizehigh quality PhC taper sections. Using a PhC taper, a couplingefficiency of 70% was demonstrated from a standard ridgewaveguide to a single line defect PhC waveguide.</p><p>During the course of this work, InP membrane technology wasdeveloped and a Fabry-Pérot cavity with a quality factorof 3200 was demonstrated.</p><p><b>Keywords:</b>photonic crystals, photonic bandgap materials,indium phosphide, dry etching, chemically assisted ion beametching, reactive ion etching, electron beam lithography,photonic integrated circuits, optical waveguides, resonantcavities, optical filtering, finite difference time domain,plane wave expansion.</p>

隨著奈米積體電路時代的來臨, 在微影技術,半導體製造技術和電路設計技術的進步已導致新的機會來整合大部份在系統中被使用到的電子功能。例如經過SoC技術提供的單晶片解決方案 - 由可重複使用的矽智財共同構成的單晶片系統 (舉例來說: 微處理器矽智財、數位信號處理矽智財、記憶體矽智財和其他的明星矽智財共同構成的單晶片系統) 可以和其他的整合系統溝通。這種包括多項技術的整合方式漸漸增加DFM 的要求, 進而創造在半導體價值鏈之中新虛擬的整合鏈模式。 對於先進產品發展, 經由現存的分解方式價值鏈﹐從每個單一鏈節 （無晶圓設計，矽智財，電路設計自動化, 設計服務，光罩製造，晶圓製造和封裝／測試）所創造的聯合價值無法在短時間超越IDM (舉例來說: 無法提供較早的上市時間)。因此針對先進產品突破性的發展,整合每個單一鏈節變成重要的主題。本研究針對這一個整合議題提供一個新的設計合作平台作為解決方案。 研究將以 DFM議題在半導體價值鏈中的影響作為分析。針對公司和公司間的溝通界面, 設計合作平台將會提供更多的併進價值鏈知識整合。 / Advances in lithography, semiconductor processes and circuit design techniques at the nanometer IC era have led to new opportunities to integrate most of the electronic functions encountered in systems. The single-chip solution through System on Chip (SoC) which comprises reusable Silicon IP (SIP) such as Microprocessor, Digital Signal Processing (DSP), Memory and other Star SIPs enabling the system to communicate with other systems. This multidisciplinary approach calls for increasing Design for Manufacturing (DFM) needs among semiconductor value chain to enable a whole new virtual integrated chain. Through the existing disintegrated value chain, the synergized value contributed from each single node (fabless, SIP provider, EDA, design service, mask foundry, wafer foundry and assembly/test) could not fulfill the time-to-market benefit as the IDM provides for advanced product development. To integrate each single chain node becomes the important topic for advanced product breakthrough. A new design collaboration platform is proposed to address this integration issue. Study was conducted among this semiconductor value chain for the DFM (Design for Manufacturing) issue. The design collaboration platform addresses the inter-firm communication interface among the value chain to provide more concurrent value chain knowledge integration. By applying Fine’s double helix model with the evidence from DFM case, I successfully predict the re-integration trend of semiconductor industry post the disintegration model.

A major focus is on integrated Silicon-based optoelectronics for the creation of low-cost photonics for mass-market applications. Especially, the growing demand for sensitive and portable optical sensors in the environmental control and medicine follows in the development of integrated high resolution sensors [1]. In particular, since 2013 the quick onsite verification of pathogens, like legionella in drinking water pipes, is becoming increasingly important [2, 3]. The essential questions regarding the establishment of portable biochemical sensors are the incorporation of electronic and optical devices as well as the implementations of fundamental cross-innovations between biotechnology and microelectronics. This thesis describes the design, fabrication and analysis of high-refractive-index-contrast photonic structures. Besides silicon nitride (Si3N4) strip waveguides, lateral tapers, bended waveguides, two-dimensional photonic crystals (PhCs) the focus lies on monolithically integrated waveguide butt-coupled Silicon-based light emitting devices (Sibased LEDs) [4, 5] for use as bioanalytical sensor components. Firstly, the design and performance characteristics as single mode regime, confinement factor and propagation losses due to the geometry and operation wavelength (1550 nm, 541 nm) of single mode (SM), multi mode (MM) waveguides and bends are studied and simulated. As a result, SM operation is obtained for 1550 nm by limiting the waveguide cross-section to 0.5 μm x 1 μm resulting in modal confinement factors of 87 %. In contrast, for shorter wavelengths as 541 nm SM propagation is excluded if the core height is not further decreased. Moreover, the obtained theoretical propagation losses for the lowestorder TE/TM mode are in the range of 0.3 - 1.3 dB/cm for an interface roughness of 1 nm. The lower silicon dioxide (SiO2) waveguide cladding should be at least 1 μm to avoid substrate radiations. These results are in a good correlation to the known values for common dielectric structures. In the case of bended waveguides, an idealized device with a radius of 10 μm was developed which shows a reflection minimum (S11 = - 22 dB) at 1550 nm resulting in almost perfect transmission of the signal. Additionally, tapered waveguides were investigated for an optimized light coupling between high-aspect-ratio devices. Here, adiabatic down-tapered waveguides were designed for the elimination of higher-order modes and perfect signal transmission. Secondly, fabrication lines including Electron-beam (E-beam) lithography and reactive ion etching (RIE) with an Aluminum (Al) mask were developed and lead to well fabricated optical devices in the (sub)micrometer range. The usage of focused ion beam (FIB) milling is invented for smoother front faces which were analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). As a result, the anisotropy of the RIE process was increased, but the obtained surface roughness parameters are still too high (10 – 20 nm) demonstrating a more advanced lithography technique is needed for higher quality structures. Moreover, this study presents an alternative fabrication pathway for novel designed waveguides with free-edge overlapping endfaces for improving fiber-chipcoupling. Thirdly, the main focus lies on the development of a monolithic integration circuit consisting of the Si-based LED coupled to an integrated waveguide. The light propagation between high-aspect-ratio devices is enabled through low-loss adiabatic tapers. This study shows, that the usage of CMOS-related fabrication technologies result in a monolithic manufacturing pathway for the successful implementation of fully integrated Si-based photonic circuits. Fourth, transmission loss measurements of the fabricated photonic structures as well as the waveguide butt-coupled Si-based LEDs were performed with a generated setup. As a result, free-edge overlapping MM waveguides show propagation loss coefficients of ~ 65 dB/cm in the range of the telecommunication wavelength. The high surface roughness parameters (~ 150 nm) and the modal dispersion in the core are one of the key driving factors. These facts clearly underline the improvement potential of the used fabrication processes. However, electroluminescence (EL) measurements of waveguide butt-coupled Si-based LEDs due to the implanted rare earth (RE) ion (Tb3+, Er3+) and the host material (SiO2/SiNx) were carried out. The detected transmission spectra of the coupled Tb:SiO2 systems show a weak EL signal at the main transition line of the Tb3+-ion (538 nm). A second emission line was detected in the red region of the spectrum either corresponding to a further optical transition of Tb3+ or a Non Bridging Oxygen Hole Center (NBOHC) in SiO2. Unfortunately, no light emission in the infrared range was established for the Er3+-doped photonic circuits caused by the low external quantum efficiencies (EQE) of the Er3+ implanted Si-based LEDs. Nevertheless, transmission measurements between 450 nm – 800 nm lead again to the result that an emission at 650 nm is either caused by an optical transition of the Er3+-ion or initialized by the NBOHC in the host. Overall, it is difficult to assess whether or not these EL signals are generated from the implanted ions, thus detailed statements about the coupling efficiency between the LED and the integrated waveguide are quite inadequate. Nevertheless, the principle of a fully monolithically integrated photonic circuit consisting of a Si-based LED and a waveguide has been successfully proven in this study.

Gold nanoparticles exhibit a combination of physical, chemical, optical, and electronic properties unique from all other nanotechnologies. These structures can provide a highly multifunctional platform with which to diagnose and treat diseases and can dramatically enhance a variety of photonic and electronic processes and devices. The work herein highlights some newly emerging applications of these phenomena as they relate to the targeted diagnosis and treatment of cancer, improved charge carrier generation in photovoltaic device materials, and strategies for enhanced spectrochemical analysis and detection. Chapter 1 introduces the reader to the design, synthesis, and molecular functionalization of gold nanotechnologies, and provides a framework from which to discuss the unique photophysical properties and applications of these nanoscale materials and their physiological interactions in Chapter 2. Chapter 3 discusses ongoing preclinical research in our lab investigating the use of near-infrared absorbing gold nanorods as photothermal contrast agents for laser ablation therapy of solid tumors. In Chapter 4, we present recent work developing a novel strategy for the targeted treatment of hormone-dependent breast and prostate tumors using multivalent gold nanoparticles that function as highly selective and potent endocrine receptor antagonist chemotherapeutics. In Chapter 5, we discuss a newly-emerging tumor-targeting strategy for nanoscale drug carriers which relies on their selective delivery to immune cells that exhibit high accumulation and infiltration into breast and brain tumors. Using this platform, we further investigate the interactions of nanoscale drug carriers and imaging agents to a transmembrane protein considered to be the single most prevalent and single most important contributor to drug resistance and the failure of chemotherapy. Chapter 6 presents work from a series of studies exploring enhanced charge carrier generation and relaxation in a hybrid electronic system exhibiting resonant interactions between photovoltaic device materials and plasmonic gold nanoparticles. Chapter 7 concludes by presenting studies investigating the contributions from so-called “dark” plasmon modes to the spectrochemical diagnostic method known as surface enhanced Raman scattering.

III-V nanostructures have attracted substantial research effort due to their interesting physical properties and their applications in new generation of ultrafast and high efficiency nanoscale electronic and photonic components. The advances in nanofabrication methods including growth/synthesis have opened up new possibilities of realizing one dimensional (1D) nanostructures as building blocks of future nanoscale devices. For processing of semiconductor nanostructure devices, simplicity, cost effectiveness, and device efficiency are key factors. A number of methods are being pursued to fabricate high quality III-V nanopillar/nanowires, quantum dots and nano disks. Further, high optical quality nanostructures in these materials together with precise control of shapes, sizes and array geometries make them attractive for a wide range of optoelectronic/photonic devices. This thesis work is focused on top-down approaches for fabrication of high optical quality nanostructures in III-V materials. Dense and uniform arrays of nanopillars are fabricated by dry etching using self-assembly of colloidal SiO2 particles for masking. The physico-chemistry of etching and the effect of etch-mask parameters are investigated to control the shape, aspect ratios and spatial coverage of the nanopillar arrays. The optimization of etch parameters and the utilization of erosion of etch masks is evaluated to obtain desired pillar shapes from cylindrical to conical. Using this fabrication method, high quality nanopillar arrays were realized in several InP-based and GaAs-based structures, including quantum wells and multilayer heterostructures. Optical properties of these pillars are investigated using different optical spectroscopic techniques. These nanopillars, single and in arrays, show excellent photoluminescence (PL) at room temperature and the measured PL line-widths are comparable to the as-grown wafer, indicating the high quality of the fabricated nanostructures. The substrate-free InP nanopillars have carrier life times similar to reference epitaxial layers, yet an another indicator of high material quality. InGaAs layer, beneath the pillars is shown to provide several useful functions. It effectively blocks the PL from the InP substrate, serves as a sacrificial layer for generation of free pillars, and as a “detector” in cathodoluminescence (CL) measurements. Diffusion lengths independently determined by time resolved photoluminescence (TRPL) and CL measurements are consistent, and carrier feeding to low bandgap InGaAs layer is evidenced by CL data. Total reflectivity measurements show that nanopillar arrays provide broadband antireflection making them good candidates for photovoltaic applications.  A novel post etch, sulfur-oleylamine (S-OA) based chemical process is developed to etch III-V materials with monolayer precision, in an inverse epitaxial manner along with simultaneous surface passivation. The process is applied to push the limits of top-down fabrication and InP-based high optical quality nanowires with aspect ratios more than 50, and nanostructures with new topologies (nanowire meshes and in-plane wires) are demonstrated.  The optimized process technique is used to fabricate nanopillars in InP-based multilayers (InP/InGaAsP/InP and InP/InGaAs/InP). Such multilayer nanopillars are not only attractive for broad-band absorption in solar cells, but are also ideal to generate high optical quality nanodisks of these materials. Finally, the utility of a soft stamping technique to transfer free nanopillars/wires and nanodisks onto Si substrate is demonstrated. These nanostructures transferred onto Si with controlled densities, from low to high, could provide a new route for material integration on Si. / <p>QC 20130205</p>