Es werden die exzitonischen Eigenschaften von Halbleiter-Quantengräben im Magnetfeld theoretisch untersucht. Unter Benutzung der Enveloppen-Näherung wird der Hamilton-Operator des Exzitons aufgestellt. Ein allgemeines Theorem für die diamagnetische Verschiebung (DMV) des exzitonischen Grundzustands wird abgeleitet. Im ersten Teil werden Effekte der Unordnung berücksichtigt. Die numerische Ergebnisse zeigen, daß die DMV ein Maß für die Lokalisierung der Wellenfunktion ist. Einzelne Exzitonzustände, wie sie für optische Nahfeldexperimente relevant sind, zeigen eine breite Verteilung der DMV-Werte, wobei der Mittelwert mit der Energie anwächst (abnehmende Lokalisierung). Die Absorptions- und Photolumineszenz-Spektren im Fernfeld werden mit dem Magnetfeld breiter. Unter Ausnutzung der strukturellen Information über die lokale chemische Zusammensetzung einer gegebenen Probe werden die statistischen Eigenschaften der Unordnung in einem realen Quantengraben analysiert. Das ermöglicht die numerische Erzeugung neuer Unordnungspotentiale, die dann für die Simulation der optischen Eigenschaften wie DMV-Statistik und Photolumineszenzspektren genutzt werden. Der Vergleich mit den experimentellen Daten für verschiedene Temperaturen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Der zweite Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit Quantenpunkten und Quantenringen, die in einem Quantengraben eingebettet sind, und konzentriert sich auf den exzitonischen Aharonov-Bohm Effekt. Der persistente Strom und die Magnetisierung werden berechnet. Für zirkuläre Symmetrie wird der enge Zusammenhang zwischen der oszillatorischen Komponente der Exziton-Energie und dem persistenten Strom aufgezeigt. Für nichtzirkuläre Ringe sind die Oszillationen ebenfalls beobachtbar, jedoch mit kleinerer Amplitude. Eine Untersuchung der Exzitonenkinetik zeigt die wichtige Rolle nichtradiativer Prozesse auf und setzt Grenzen für die Beobachtbarkeit der Oszillationen und für die Auslöschung der Photolumineszenz. / Excitonic properties of semiconductor quantum wells (QWs) with applied magnetic field are investigated theoretically. Using the envelope function approximation, the exciton Hamiltonian is constructed. A general theorem for the diamagnetic shift (DMS) of the lowest exciton energy is derived. In a first part, disorder is taken into account. The numerical results show that the DMS is a measure of wave function localization. Individual exciton states as relevant for optical near-field experiments show a broad distribution of DMS values while its average value increases with energy (decreasing localization). Far-field absorption and photoluminescence spectra become wider with increasing magnetic field. Using structural information on the local chemical composition of a given sample, the statistical properties of the disorder in a real QW have been analyzed. This allowed to generate new disorder potentials as input for the simulation of DMS statistics and photoluminescence spectra. Their comparison with experimental data at different temperatures shows very good agreement. The second part of the thesis deals with quantum dots and rings embedded in the QW, focusing on the exciton Aharonov-Bohm effect. Persistent current and magnetization are evaluated. For circular symmetry, a close relation between the oscillatory component of the exciton energy and the persistent current is revealed. For non-circular rings, oscillations can be observed too but with lower amplitude. A study of the exciton kinetics points to the important role of non-radiative processes, and sets limits for the experimental observability of energy oscillations and photoluminescence quenching.

There is an increasing interest in nanostructured and nanocomposite surface finishings for automotive and aerospace applications. The widespread applicability of these novel materials is based on their unique mechanical, physical, and chemical properties. An advantageous production method is the electrocodeposition (ECD) process from metal plating baths containing dispersed nanoparticles. By using this technique, a broad range of substrate sizes and shapes can be coated cost-effectively. However, the prediction of the amount as well the distribution of nanoparticles within the metal film fails frequently. There is no complete understanding of the particle incorporation mechanism. The goal of this research was to improve the fundamental understanding of the ECD mechanism. In order to identify the forces affecting the codeposition behavior of nanoparticles in a metal matrix, the effects of a variety of interrelated process parameters on the composite film formation have been investigated systematically. Nanocomposites containing metal and metal oxide nanoparticles in a nickel matrix have been prepared by means of ECD from two different types of nickel plating baths, an acidic sulfamate (pH 4.3) and an alkaline pyrophosphate bath (pH 9.5). The effect of deposition conditions on the ECD process was investigated utilizing two electrode configurations, viz. a parallel plate electrode (PPE) and impinging jet electrode (IJE) and different deposition techniques, viz. direct current (DC) deposition, both pulse plating (PP) and pulse-reverse plating (PRP). The surface charge and sedimentation behavior of the nanoparticles in these electrolytes were characterized by zeta potential and stability measurements. The surface charge, hydrodynamic diameter and colloidal stability of the nanoparticles in the nickel electrolytes were mainly affected by the composition and pH of the bath. The particles tend to form agglomerates in both nickel baths. Smaller agglomerates and an improved colloidal stability occurred in the case of the alkaline bath. Composites with a maximum particle content of either ~3.6 vol-% of 13 nm Al2O3 or ~10.4 vol-% of 21 nm TiO2 were obtained using a parallel plate electrode and DC deposition conditions. Both jet plating as well as pulse plating resulted in a distinct increase of the particle codeposition. A maximum incorporation of ~12 vol-% of 50 nm Al2O3 particles in a nickel matrix was achieved using an unsubmerged IJE system, while PP and PRP resulted in composites with particle contents up to 11 vol-% of 13 nm Al2O3. The particle incorporation increased with the particle content of the electrolyte for all deposition conditions studied. A beneficial effect on the amount of codeposited particles was found with decreasing average current density. The Al2O3 and TiO2 particles were found to be negatively charged in the alkaline pyrophosphate bath, and positively charged in the acidic sulfamate bath. It could be shown that negatively charged particles codeposited preferentially within the nickel matrix. The effect of PP and PRP conditions, e.g. pulse frequency, duty cycle and value of the peak current density, on the ECD of Ni-Al2O3 composites was studied using rectangular current pulses in the order of milliseconds. In general, low duty cycles and high pulse frequencies resulted in an enhanced particle codeposition. Using the unsubmerged IJE system, the effects of jet flow rate, particle loading and current density on the particle incorporation were studied. Referring to the experimental results from the ECD of 50 nm alumina with nickel using an IJE system, a kinetic model was developed. Therefore, the particle flux to the electrode was derived from an analysis of the total force acting on the particle in front of the electrode. The model took into account the convective diffusion of particles to the electrode surface, and the effect of gravitational and buoyancy forces on the particle flux. The gravitational force was found to be important for the ECD of 300 nm particles, but not for 50 nm particles. The effect of an external magnetic field on the ECD of Co or Fe3O4 nanoparticles in a nickel matrix has been studied for different current densities, particle contents of the electrolyte and magnetic flux density. The particle incorporation showed a distinct dependency on the orientation of an externally applied magnetic field. While the particle incorporation increased in a perpendicular field (perpendicular with regard to the electrode surface), it decreased in a parallel orientation. The influence of the magnetic field on the ECD of magnetic nanoparticles with nickel was explained by the interplay of Lorentz force and magnetophoretic force. The structure and the properties of the nickel matrix were significantly altered due to the codeposition of nanoparticles. The pure nickel deposits from the sulfamate bath exhibited a strong <100> texture, and those from the pyrophosphate bath a strong <110> preferred orientation. With increasing plating current density and particle incorporation, a variation in the crystallite size and a loss of texture was observed. High resolution TEM imaging proved a complete embedding of nanoparticles by the nickel matrix without any voids. In the case of both nickel baths, the Vickers microhardness showed a tendency to increase with the amount of particle incorporation. The enhanced hardness of the composite films was associated with modifications in the microstructure of the nickel matrix as well as with the nanoparticle incorporation. The wear resistance as examined by linear abrasion test increased with decreasing current density and due to the particle incorporation. Furthermore, the incorporation of magnetic nanoparticles resulted in a distinct increase of the magnetic hardness of the nickel matrix.

Bei der industriellen Herstellung von Halbleitern, wie Silizium und GaAs erfolgt die Züchtung ausnahmslos aus der Schmelze. Die dabei herrschenden Konvektionsverhältnisse in der Schmelze sind maßgeblich für die Verteilung von Dotierstoffen, Verunreinigungen und Defekten im Kristall verantwortlich. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der RMF- (Rotierendes Magnetfeld) induzierten Strömung auf das Segregationsverhalten, bei der Züchtung von Ga-dotierten Germaniumkristallen nach dem Vertical-Gradient-Freeze Verfahren, numerisch und experimentell untersucht. Durch den Einsatz eines RMF lassen sich Kristalle mit einer verbesserten axialen und radialen Homogenität der Ladungsträgerverteilung herstellen. Weiterhin wurden Untersuchungen zur Schmelzkonvektion und zum Kohlenstofftransport bei der Herstellung von Solarsilizium nach dem Edge-defined Film-fed Growth-Verfahren durchgeführt. Die Ergebnisse der 3d-Modellierung zeigen, dass der Marangonieffekt einen wesentlichen Einfluss auf die Strömungsverhältnisse in der Schmelze und somit auf den Kohlenstofftransport hat.

Bei der Vertical Gradient Freeze-Züchtung von Halbleiterkristallen bis zu einem Durchmesser von 2″ wurde in einer speziell entwickelten Anlage die Beeinflussung des Wärme- und Stofftransports in der Schmelze durch ein rotierendes Magnetfeld (RMF) untersucht. An GaAs- und Ge-Kristallen konnte bei Einwirkung des RMF eine verminderte Durchbiegung der Phasengrenze aufgrund geringerer radialer Temperaturgradienten festgestellt werden. Die Analyse der Segregationsprozesse ergab unter RMF-Einfluss signifikante Änderungen der Ausdehnung der Diffusionsgrenzschicht vor der Phasengrenze. Dies spiegelte sich in einer verbesserten axialen und radialen Homogenität der Ladungsträgerverteilung in den Kristallen wider. Die kritische magnetische Taylor-Zahl, die den Übergang von stationärer zu instationärer RMF-Konvektion charakterisiert, konnte für verschiedene Geometrieverhältnisse der Schmelze experimentell bestimmt werden.

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Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Kontrolle und Beeinflussung der Schmelzströmung beim Vertical Gradient Freeze- (VGF-) Verfahren durch magnetische Wechselfelder, wobei speziell der Einfluss von rotierenden und wandernden Magnetfeldern auf den Stoff- und Wärmetransport untersucht wird. Das Potential der VGF-Magnetfeldzüchtung für die Reduktion der thermischen Spannungen bei der Züchtung von Ge- und GaAs-Kristallen wird demonstriert. Anhand von Experimenten zur Gasphasendotierung von Ge-Einkristallen mit Zink werden außerdem die Vorteile des Magnetfeldeinsatzes für eine effektive Durchmischung der Schmelze und für eine Reduzierung der radialen Dotierstoffsegregation gezeigt. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung von züchtungsrelevanten Modellanordnungen für systematische Strömungsexperimente mit niedrig schmelzenden Legierungen. Dadurch kann die gegenseitige Beeinflussung zwischen der magnetfeldinduzierten Strömung und der thermische Auftriebströmung beim VGF-Verfahren direkt untersucht werden.

Stuttgart, Univ., Diss., 2007.

Die Arbeit befasst sich mit der Herstellung massiver Halbleitereinkristalle nach der Vertical Gradient Freeze (VGF) – Technologie unter dem Einfluss eines kombinierten magnetischen Gleich- und Wechselfeldes. Konkret wurden ein axial statisches und ein wanderndes Magnetfeld eingesetzt, um eine maßgeschneiderte Strömung in der Halbleiterschmelze zu erzeugen. Die Eigenschaften der Strömung wurden anhand von isothermalen Modellexperimenten detailliert untersucht. Des Weiteren wurden numerische Modelle der experimentellen Anordnungen entwickelt und umfangreiche Simulationen zu den auftretenden Magnet-, Strömungs-, Temperatur- und Spannungsfeldern durchgeführt. Der Arbeitsschwerpunkt lag auf der Optimierung der Kristalleigenschaften bei der Züchtung von GaAs- und Ge-Einkristallen. Durch den Einsatz der kombinierten Magnetfelder konnte eine signifikante Verringerung der Durchbiegung der Phasengrenze Schmelze/Kristall und der damit verbundenen thermischen Spannungen im Kristall gezeigt werden. Gleichzeitig wurde eine sehr homogene makroskopische Dotierstoffverteilung ohne auftretende Mikrosegregation erreicht.

Gegenstand dieser Arbeit ist die retrograde Bewegung des Vakuumbogens, einer Bewegung des Bogenfußes entgegen der Lorentz-Kraft. Die retrograde Bewegung wird auf die Bewegung der Brennflecke des Kathodenansatzes zurückgeführt. Es wurden die Unterstrukturen der Brennflecke und ihre Bewegung im Magnetfeld untersucht. Dabei wurden bekannte makroskopische Erscheinungen (Plasmakante entlang der Magnetfeldlinien) erstmalig beobachteten mikroskopischen Erscheinungen (Jets) zugeordnet. In der vorliegenden Arbeit wurden die Eigenschaften der Jets bestimmt. Desweiteren wurde aus Untersuchungen zur Schrittweite und zeitlichen Abfolge der Brennfleckbewegung unter dem Einfluß des externen Magnetfeldes abgeleitet, daß die zufällige Bewegung des Brennflecks und seiner Bestandteile im magnetfeldfreien Fall auf kleineren Orts- und Zeitskalen als die retrograde Bewegung des Brennflecks (200...300µm) und (1...4µs) erfolgt und damit auch verschiedene Mechanismen ihre Ursache sind. Die beobachteten Jets, die aus dem Brennfleckkern emittiert werden, liefern eine Erklärung für die retrograde Bewegung. In den Jets werden elektrische Felder generiert, welche zur Neuzündung von Brennflecken beitragen. Sie sind der Hauptgrund für die Asymmetrie auf der retrograden Seite (Jets) und der Vorwärtsrichtung (keine Jets). Außerdem konnte gezeigt werden, daß bei heißen Kathoden keine Bewegungsumkehr der retrograden Bewegung erfolgt. Dadurch konnte Klarheit in Bezug auf ältere Veröffentlichungen geschaffen werden, die der retrograden Bewegung eine solche Erscheinung zugeordnet haben. / This thesis treats the phenomenon of retrograde motion of vacuum arcs, the motion of the arc root in the opposite direction of the Lorentz-force. The retrograde motion is attributed to the motion of the cathode spots. The sub-structures of cathodes spots and their motion in a magnetic field were examined. Known macroscopic phenomena (plasma edge along the magnet field lines) were related to observed microscopic phenomena (jets). These jets have been observed for the first time and their properties have been determined. From investigations of typical step widths and time constants of the cathode spots' motion in an external magnetic field it was derived, that random walk and retrograde motion of cathode spots and its fragments in the magnetic field-free case occur on smaller spatial (200...300µm) and temporal (1...4µs) scales than the retrograde motion of the spot. This leads to the conclusion that the mechanisms of both types of motion are different. The observed jets, which are emitted from the spot core, supply an explanation for the retrograde motion. Within the jets electrical fields are generated, which contribute to the ignition of new cathode spots. The jets are the reason for asymmetry on the retrograde side (jets) and the forward direction (no jets). Additionally it could be shown that with hot cathodes no reversal of the retrograde motion occurs. This cleared the assertion of older publications that a reversal of the retrograde motion is linked to the cathode temperature.

Eines der größten Probleme bei der kontrollierten Kernfusion ist die immense thermische Belastung der mit dem Plasma in Berührung kommenden Materialien. Um den Energiefluß aus dem Plasma auf eine möglichst große Fläche zu verteilen, werden die betroffenen Komponenten in der Regel so angebracht, da"s das magnetische Feld annähernd parallel zur Oberfläche verläuft. Im Rahmen dieser Arbeit wurden ein spezieller drehbarer Meßkopf zur winkelabhängigen Messung des Strom- und Energieflusses entwickelt und ausführliche experimentelle Untersuchungen zur Winkelabhängigkeit der Teilchen- und Energieflüsse auf eine Fläche durchgeführt. Zum Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen wird basierend auf den Gyrationsbahnen der Teilchen ein analytisches Modell entwickelt und dessen qualitative Übereinstimmung mit den experimentellen Befunden festgestellt. Die Durchführung der Experimente erfolgte am Plasmagenerator PSI-2, einem linearen Divertor-Simulator mit einem moderaten magnetischen Feld. Der Aufbau des Meßkopfes als ebene Sonde in einer isolierten Fläche enspricht dabei in etwa der einer sogenannten ,,flush-mounted probe''''. Die äußeren Maße der Sonde sind dabei vergleichbar mit dem Ionengyroradius ri}. Während die Elektronen bei den Experimenten stark magnetisiert sind, variieren die Bedingungen für die Ionen zwischen unmagnetisiert und magnetisiert je nach Ionenmasse und Magnetfeldstärke. Bei den Experimenten wurden verschiedene Größen der Plasmarandschicht als Funktionen des Winkels zwischen der Oberflächennormale der Sonde und dem Vektor des magnetischen Feldes bestimmt. / In fusion experiments, the energy flux to the target plates is an important issue. In order to spread the heat load, surfaces are usually designed to intersect magnetic field lines at very shallow angles. In the course of this work, a sensitive probe allowing simultaneous measurements of energy flux and current density as functions of a bias voltage was developed. Extensive experimental data on the particle and energy flux densities as functions of the angle between a surface and the confining magnetic field are provided. An analytical model is developed in order to reveal the physics involved; it is in good qualitative agreement with the experimental results. The experiments were conducted at the PSI-2 facility, a linear divertor simulator with moderate magnetic field strength. The probe was rotated in a spatially homogeneous plasma. The active area, a tungsten covered Peltier module, was immersed in a ceramic surface, closely resembling the geometry of a flush mounted probe. Its dimensions were comparable to the ion gyro radius ri. While the electrons were strongly magnetized, the ion conditions varied between unmagnetized and magnetized depending on the ion species. Sheath parameters were determined as functions of the angle alpha between the probe surface normal and the magnetic field.