Die Arbeit untersucht planare optische Mikrokavitäten, welche aus einer beidseitig von Multischichtspiegeln umgebenen Kavitätsschicht bestehen. Im Rahmen einer Transfermatrixbeschreibung für ebene Wellen wird ein genereller Ansatz zur Berechnung von optischen Kavitätsmoden von planaren Mikrokavitäten entwickelt, welche aus optisch beliebig anisotropen Medien bestehen. Die zugrunde liegende Modenbedingung kommt ohne vorherige Einschränkungen bezüglich der betrachteten Lichtpolarisation aus. Basierend auf diesem Ansatz werden numerische Modenberechnungen von Mikrokavitäten mit optisch uniaxialen Kavitätsschichten vorgenommen. Generell sind die Moden in einem solchen System elliptisch polarisiert, und zudem i.A. nicht orthogonal. Ein besonderes Phänomen stellen sogenannte exzeptionelle Punkte dar. Dies sind Richtungen, für welche Energie und Verbreiterung der zwei Kavitätsphotonmoden zugleich entarten. Die Moden werden an solchen Punkten zirkular ko-polarisiert, die Orientierung der linearen Modenpolarisation windet sich im Impulsraum um diese Punkte herum. Die Eigenschaften der anisotropen Mikrokavitäten und exzeptionellen Punkte sind charakteristisch für singuläre, biaxiale Optik. So entsprechen die exzeptionellen Punkte Richtungen sogenannter singulärer optischer Achsen der effektiv biaxialen Strukturen, und können als Entartung nicht-Hermitescher Operatoren beschrieben werden. Die experimentelle Realisierung wird am Beispiel ZnO-basierter Mikrokavitäten gezeigt und bestätigt die theoretischen Vorhersagen im Wesentlichen, wenngleich im Experiment keine komplett zirkular polarisierten Zustände an den Entartungspunkten beobachtet wurden.:0 Introduction 1 Theory I: Linear optics principles 1.1 Maxwell theory 1.1.1 Plane-wave ansatz 1.1.2 Light polarization 1.1.3 Crystal optics 1.1.4 The polariton concept 1.2 Matrix formalisms for planar structures 1.2.1 Transfer-matrix approach 1.2.2 Scattering, Jones and Müller matrices 2 Theory II: Planar optical microcavities 2.1 Fabry-Pérot resonators and photonic modes 2.2 Practical mode computation 2.3 Quasi-particle approach 3 Computation: Exceptional points in anisotropic microcavities 3.1 Numerical methods 3.2 Model and findings for anisotropic, dielectric microcavities 3.3 Classification and discussion 3.3.1 General characteristics of exceptional points in anisotropic microcavities 3.3.2 Polarization vortices and singular optics 3.3.3 Net topology of the system 3.3.4 Effective-medium approaches 3.3.5 Quasi-particle approaches 3.3.6 Other familiar systems and phenomena 3.4 Anisotropic exciton-polaritons 4 Experiment: ZnO-based planar microcavities 4.1 Microcavity samples 4.2 Experimental methods 4.3 Experimental results vs. theoretical computations 4.4 Summary and discussion 5 Conclusion A Appendix A.1 Determining optic axes A.2 Exceptional points A.3 Expressions in Gaußian CGS units A.4 Polarization patterns of isotropic microcavities Bibliography Symbols and Abbreviations Authored and co-authored publications directly related to this thesis Acknowledgments Curriculum Vitae / In this thesis, planar optical cavities are investigated. They consist of a cavity layer which is surrounded by multi-layer mirrors. Using a transfer matrix technique for planar structures, a general mode condition is developed, which allows computation of cavity-photon modes for planar microcavities, which consist of optically arbitrarily anisotropic media. With this approach, no prior restriction of the considered light polarization is required. Based on this formalism, numerical computations of planar microcavities with optically uniaxial cavity layers are performed. Generally, the cavity-photon modes in such systems obtain elliptic polarization. Furthermore, they are in general not orthogonal to each other. A particular phenomenon is the occurrence of so called exceptional points. Here, the two cavity-photon modes degenerate in energy and broadening simultaneously, and the modes become circularly co-polarized. In addition, the exceptional points are vortex centers in momentum space for the orientation of the linear polarization of the modes. With this, anisotropic planar microcavities show typical characteristics of singular as well as biaxial optics. The exceptional points can be regarded as singular optic axes of the effectively biaxial structures. They can be described by the degeneracy of non-Hermitian operators. Experimental implementation is demonstrated by ZnO-based microcavities. In general, experimental findings prove the theoretical predictions, albeit the degree of circular polarization does not approach 100% at the exceptional points.:0 Introduction 1 Theory I: Linear optics principles 1.1 Maxwell theory 1.1.1 Plane-wave ansatz 1.1.2 Light polarization 1.1.3 Crystal optics 1.1.4 The polariton concept 1.2 Matrix formalisms for planar structures 1.2.1 Transfer-matrix approach 1.2.2 Scattering, Jones and Müller matrices 2 Theory II: Planar optical microcavities 2.1 Fabry-Pérot resonators and photonic modes 2.2 Practical mode computation 2.3 Quasi-particle approach 3 Computation: Exceptional points in anisotropic microcavities 3.1 Numerical methods 3.2 Model and findings for anisotropic, dielectric microcavities 3.3 Classification and discussion 3.3.1 General characteristics of exceptional points in anisotropic microcavities 3.3.2 Polarization vortices and singular optics 3.3.3 Net topology of the system 3.3.4 Effective-medium approaches 3.3.5 Quasi-particle approaches 3.3.6 Other familiar systems and phenomena 3.4 Anisotropic exciton-polaritons 4 Experiment: ZnO-based planar microcavities 4.1 Microcavity samples 4.2 Experimental methods 4.3 Experimental results vs. theoretical computations 4.4 Summary and discussion 5 Conclusion A Appendix A.1 Determining optic axes A.2 Exceptional points A.3 Expressions in Gaußian CGS units A.4 Polarization patterns of isotropic microcavities Bibliography Symbols and Abbreviations Authored and co-authored publications directly related to this thesis Acknowledgments Curriculum Vitae

We report on the occupation of the lower exciton–polariton branch in a ZnO-based microcavity as a function of the detuning between the exciton and the uncoupled cavity-photon mode and on the optical excitation density. We emphasize the difference in the dispersion and occupation of the lower polariton branch as a function of the linear polarization of the emitted light. For the negative detuning regime, we found an energy splitting between the transverse electric (TE)- and transverse magnetic (TM)-polarized states at inplane wave vectors between 0.4×107 m−1 and 1.2×107 m−1, which is caused by the polarization dependence of the dispersion of the uncoupled cavity-photon mode. The maximum energy splitting of about 6 meV was observed for a detuning of about 1 = −70 meV. From the integrated photoluminescence peak, we deduce the occupation of the lower polariton branch as well as the scattering rates of exciton–polaritons into the lower polariton branch. We found that the energy splitting causes an enhanced scattering of exciton–polaritons into the lower polariton branch for the TM-polarized light compared with that of the TE-polarized light. By varying the excitation density, we observe a superlinear growth of the lower polariton branch occupation for negative and intermediate detuning regimes. For an accumulation of exciton–polaritons in the ground state at low temperatures (T = 10 K), we found an intermediate detuning regime (−20 meV < 1 < +20 meV) as the optimum. With increasing temperature, this optimum detuning range shifts to larger negative values.

<p>Resonant-cavity-enhanced (RCE) photodetectors have recently attracted attention due to their wavelength selectivity and high efficiency in comparison to conventional photodetectors. The goal of this ongoing research initiative is to develop a Si-based RCE infrared photodetector using inductively coupled plasma chemical vapor deposition (ICP-CVD) as the primary fabrication method. At the current stage of the project, wavelength-selective optical structures have been successfully fabricated using Si/SiO₂ layer pairs. These structures demonstrate sharp transmission peaks at their intended wavelength, making them potentially useful for efficient photodetection. The next phase of the photodetector development process involves using ion implantation to introduce dopants and create the bias.The project also explores the temperature sensing capability of the resonant-cavity structures. The temperature sensitivity tests indicate that the specific type of structure fabricated in this project may be relevant for fiber-optic temperature sensing applications. Additional testing is required to evaluate the performance characteristics of such structures as Fabry-Perot sensors capable of wavelength-encoded temperature measurement.</p> / Master of Applied Science (MASc)

Les travaux de cette thèse apportent une contribution théorique et expérimentale aux études portant sur les cristaux photoniques planaires à fente pour l'exaltation locale du champ électromagnétique. Nous avons étudié la propagation de lumière lente dans des cristaux photoniques à fente en réalisant une ingénierie de dispersion et le confinement de la lumière dans des micro-cavités à fente structurée. Nous avons pour cela effectué des calculs 3D pour optimiser les propriétés de dispersion des cristaux photoniques en structurant la fente elle-même. Cette optimisation a permis d'observer un renforcement de la localisation du champ électromagnétique dans la fente en vue d'un remplissage par des matériaux fortement non linéaires. Nous avons développé un procédé de fabrication pour les cristaux photoniques dans des structures en silicium sur isolant basé sur la lithographie électronique et la gravure plasma. Le régime de lumière lente a été caractérisé expérimentalement et nous a permis de valider la méthode d'optimisation choisie. Des facteurs de ralentissement supérieurs à 10 ont été mesurés dans des dispositifs allant jusqu'à 1 mm de long. Des micro-cavités à fente avec des facteurs de qualité supérieurs à 20000 sur substrat SOI ont été réalisées. Nous avons effectué des mesures d'optique non linéaire dans des guides à cristaux photoniques à fente et avons montré que les effets non linéaires du silicium sont réduits malgré l'exaltation du champ électromagnétique comparés à ceux présents dans des guides à cristaux photoniques standards. Nous avons enfin étudié les pertes le désordre dans ce type de structure par mesures de réflectométrie optique à faible cohérence. / Abstract : The work described in this PhD thesis brings theoretical and experimental contributions to the study of planar slot photonic crystals for a local exaltation of the electromagnetic field. The propagation of slow light in slot photonic crystal waveguides is investigated by achieving dispersion engineering and confinement of light in slotted microcavities. We have performed 3D calculations to optimize the dispersion properties of the photonic crystals by tailoring the slot itself. This allowed the observation of an enhancement of the field localization aiming at the infiltration of the slot by highly nonlinear materials. We achieved a fabrication process of slot photonic crystal waveguides in silicon on insulator (SOI) structures based on electron bearn lithography and plasma et­ ching. Slow light measurements are reported and validate the optimization method. Group indices higher than 20 have been measured in 1 mm long deviees. Slot photonic crystal microcavities with quality factors higher than 20,000 have been achieved on SOI. We have performed nonlinear optical measurements and revealed that silicon nonlinear effects in slot photonic crystal waveguides are reduced compare to standard waveguides, despite the increase of the exaltation of the electromagnetic field. Finally, we have investigated disorder-induced losses in this type of waveguides by opticallow coherence reflectrometry.

The subject of this thesis is the investigation of organic microcavities with implemented unstructured and laterally structured metal layers. The optical properties are studied by means of various spectroscopic techniques and are compared to conventional metal-free devices. It is shown that the large expected absorption caused by the embedded metal is reduced compared to the case of a free-standing metal layer of the same thickness. As a consequence of the interaction of the photonic cavity mode with the metallic structures, two new coupled modes emerge which are called Tamm plasmons. The strength of this coupling and the resulting spectral difference of these modes are defined by the thickness of both the metal layer and the adjacent dielectric layers. These control parameters enable the optimization of the structural design. Accordingly, coherent emission from Tamm plasmons is realized at room temperature. An analytical approach is developed accounting for the experimentally observed polarization splitting of detuned resonances. Next, laterally structured metal layers embedded into organic microcavities are considered. The structuring leads to a confinement of the photonic density of states evident from a clear discretization in energy of the corresponding modes. Applying a photolithographic technique to structure the metal layer into a pattern of regularly placed stripes leads to additional effects due to the resulting periodicity. By exciting this hybrid structure above a certain threshold, periodic arrays of localized cavity modes and metal-based Tamm plasmons are generated. These Bloch-like excited states are capable of phase coupling across the grating. Additionally, surface plasmon polaritons (SPPs) are excited propagating at the interface of the silver and the adjacent dielectric layers. Thanks to the periodicity of the metallic stripes, SPPs are subject to efficient Bragg scattering into the light cone in air. Modes up to order number 30 are detectable as quasi-linear periodic lines in the dispersion pattern. A Fourier analysis reveals an in- or out-of-phase coupling of the modes and a spread of the coherence over macroscopic distances of more than 40 µm. This strategy of embedding metal patterns into an organic microcavity yields a viable route towards electrically contacted organic solid-state lasers. / In dieser Arbeit werden erstmals dünne, unstrukturierte sowie lateral strukturierte metallische Schichten in organische Mikroresonatoren eingebettet und anschließend die optischen Eigenschaften mittels spektroskopischer Verfahren untersucht. Es zeigt sich, dass die erwarteten hohen optischen Verluste durch die Absorption des elektrischen Feldes im Metall deutlich reduziert sind, verglichen mit dem Fall einer freistehenden, nicht eingebetteten Metallschicht gleicher Dicke. Als Folge der Wechselwirkung der photonischen Kavitätsmode mit dem Metall spaltet diese in zwei miteinander gekoppelte Moden auf. Diese neuartigen Moden werden als Tamm-Plasmonen bezeichnet. Die Kopplung sowie die spektrale Differenz beider Moden ist zum einen durch die optischen Eigenschaften und die Dicke der eingebetteten Metallschicht definiert, zum anderen durch die optische Dicke der angrenzenden dielektrischen Schichten. Dadurch ist eine Optimierung des Systems im Hinblick auf Absorption und Emissionswellenlänge der Bauteile möglich, so dass selbst bei Raumtemperatur kohärente Emission eines Tamm-Zustands erzielt werden kann. Eine erarbeitete analytische Rechnung bestätigt und erklärt die experimentell gemessene, polarisationsabhängige Aufspaltung der auftretenden resonanten Moden. Im zweiten Teil der Arbeit sind organische Mikroresonatoren, deren eingebettete Metallschicht in lateraler Richtung auf verschiedene Weisen strukturiert sind, Gegenstand der Untersuchungen. Als Folge dieser Strukturierung kommt es zur lateralen Beschränkung der photonischen Zustandsdichte, was durch eine Diskretisierung der Energiespektren der resultierenden optischen Moden experimentell nachweisbar ist. Werden periodische Metallstreifen mittels Photolithographie erzeugt, so kommt es neben einer weiteren Beeinflussung der Zustandsdichte auch zu Effekten, die durch diese Periodizität bedingt sind. Entsprechend reproduziert sich die Kavitätsmode mehrfach im Impulsraum. Oberflächenplasmonen, die auf der Grenzfläche zwischen dem Metall und den dielektrischen Schichten propagieren, werden auf Grund der Periodizität bis in den experimentell zugänglichen Lichtkegel gestreut. Dabei werden Plasmonenresonanzen bis hin zur 30. Ordnung gemessen. Im letzten Experiment werden derart periodisch strukturierte Metall-Organik-Mikroresonatoren auf ihre Lasertätigkeit hin untersucht. Eine lokal begrenzte optische Anregung mittels eines gepulsten Lasers führt zur Ausbildung verschiedener Bloch-ähnlicher Moden, deren Kohärenz sich lateral bis zu 40 µm ausbreitet. Eine Fourieranalyse zeigt eindeutige und feste Phasenbeziehungen zwischen angrenzenden Maxima der Moden. Zusammenfassend ergeben sich interessante metall-organische Systeme, die minimale Absorption und niedrige Laserschwellen aufweisen und die prinzipielle Eignung zur elektrischen Kontaktierung besitzen.

Realising Si-based electrically driven light emitters in a process technology compatible with mainstream microelectronics CMOS technology is key requirement for the implementation of low-cost Si-based optoelectronics and thus one of the big challenges of semiconductor technology. This work has focused on the development of microcavity enhanced silicon LEDs (MCLEDs), including their design, fabrication, and experimental as well as theoretical analysis. As a light emitting layer the abrupt pn-junction of a Si-diode was used, which was fabricated by ion implantation of boron into n-type silicon. Such forward biased pn-junctions exhibit room-temperature EL at a wavelength of 1138 nm with a reasonably high power efficiency of 0.1% [1]. Two MCLEDs emitting light at the resonant wavelength about 1150 nm were demonstrated: a) 1 MCLED with the resonator formed by 90 nm thin metallic CoSi2 mirror at the bottom and semitranparent distributed Bragg reflector (DBR) on the top; b) 5:5 MCLED with the resonator formed by high reflecting DBR at the bottom and semitransparent top DBR. Using the appoach of the 5:5 MCLED with two DBRs the extraction efficiency is enhanced by about 65% compared to the silicon bulk pn-junction diode.

Ce travail porte sur la réalisation d'un micro-écran OLED haute luminance sur silicium. L'efficacité limitée des structures WOLED associées à des filtres colorés est un frein au développement de cette technologie pour des applications dans des dispositifs de type « see-through ». Nous proposons une approche tirant parti de l'effet de microcavité optique présent dans les écrans OLED à émission vers le haut pour générer des couleurs sans filtres. Les modulations de cavité à l'échelle du sous-pixel étant assurées par l'insertion d'oxyde transparent conducteur entre l'anode et l'OLED.L'étude offre selon un raisonnement cohérent de suivre les différentes phases de la réalisation d'un démonstrateur de ce type. Seront abordées dans la première partie les étapes technologiques de structuration de l'oxyde à l'échelle d'un sous-pixel de 16µm². Nous traiterons ensuite du développement d'un empilement OLED tandem utilisant des émetteurs fluorescent et phosphorescents. Une approche par simulation optique sera utilisée pour l'optimisation de cette architecture à un fonctionnement sur microcavité. Puis la discussion autour de la mise en commun des blocs technologiques précédents permettra d'aborder des écueils spécifiques au micro-écran OLED et de proposer des pistes de résolution. / This study focuses on the realization of a high brightness OLED micro-écran on silicon. The limited efficiency of White-OLED combined with color filters prevents the use of this technology in “see-through” applications. We propose a novel approach getting benefits from the optical micro-cavity effect in Top-Emitting OLED to generate colors without using color filters. Cavity modulations at a sub-pixel scale are realized by using a Transparent Conducting Oxide between the anode and the OLED.Following a step-by-step reasoning the work offers to follow all the phases of the realization of a prototype using this principle. In the first part, the technological steps of the processing of oxide cavities with a surface of 16µm² will be discussed. Then we will work on the development of a tandem OLED structure using both fluorescent and phosphorescent emitters optimized for micro-cavities. To this end optical simulation will be used. The two technological blocs will finally be put together to enlighten some issues specific for micro-écran technology and to give some clues to solve them.

In dieser Arbeit werden die verschiedenen Möglichkeiten der Elektronenstrahlstrukturierung von organischen Schichten untersucht und charakterisiert. Je nach ihrer Energie und Leistung bewirkt die Interaktion der beschleunigten Strahlelektronen mit dem Material, auf das sie treffen, unterschiedliche Wechselwirkungen. Im Rahmen der durchgeführten Versuche wird demonstriert, dass diese Wirkung von lokalen, strahlchemischen Strukturveränderungen bis hin zu einem örtlich begrenzten Materialabtrag reicht. Neben den Untersuchungen einzelner organischer Schichten, werden ebenso organische Leuchtdioden (OLEDs) und deren Veränderungen unter Elektroneneinwirkung charakterisiert. Bei der Elektronenstrahlstrukturierung einer OLED mit sehr kleinen Leistungen wird sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die Leuchtdichte der OLED reduziert. Dabei sind die Veränderungen in den organischen Materialien lokal stark auf den Ort der Elektroneneinwirkung begrenzt. Dies konnte genutzt werden, um eine hochauflösende Graustufenstrukturierung zu demonstrieren und ein Bild mit Strukturbreiten von 2 µm mit einem Elektronenstrahlprozess in eine weiße OLED zu schreiben. Elektronenstrahlprozesse mit höheren Leistungen bedingen eine thermische Wirkung und können so dünne organische Schichten lokal verdampfen. Mit solch einem Prozess konnte ein linien- und flächenhafter Abtrag realisiert werden, ohne die darunterliegende Elektrode zu schädigen. OLEDs haben den Vorteil, dass sie in Dünnschichttechnik hergestellt werden können und sehr kontrastreiche und farbechte Flächenlichtquellen sind. Daher bilden sie auch die Grundlage moderner Displays, an die jedoch stets wachsende Anforderungen gestellt werden. Klassischerweise werden OLED-Farbdisplays mithilfe einer strukturierten Abscheidung durch feine Metallmasken oder durch die Nutzung weißer OLEDs zusammen mit Farbfiltern hergestellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein alternatives Strukturierungskonzept entwickelt, dass die Möglichkeit bietet, ein OLED-Farbdisplay mithilfe eines Elektronenstrahlprozesses herzustellen. Das Schichtsystem der OLED bildet einen optischen Resonator, bei dem die Elektroden die Mikrokavität darstellen und die Dicke der organischen Schichten die Resonatorlänge definiert. Mittels kavitätsselektiver Modenauswahl ist es möglich, aus dem Spektrum einer weißen OLED verschiedene Farben auszukoppeln, wenn man die Resonatorlänge ändert. In der vorliegenden Arbeit wurde diese Anpassung der Resonatorlänge durch die Elektronenstrahlstrukturierung der ersten organischen Schicht vorgenommen und so rote, grüne und blaue OLEDs erzeugt und charakterisiert. Neben den grundlegenden Untersuchungen zu diesem Ansatz werden abschließend Grenzen und Möglichkeiten des Verfahrens aufgezeigt.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Organische Leuchtdioden (OLEDs) 2.1.1 Organische Halbleiter 2.1.2 Aufbau und Funktionsweise von OLEDs 2.1.3 Elektro-optische Charakteristik 2.2 OLED-Vollfarbdisplays 2.2.1 Funktionsweise und Konzepte 2.2.2 Strukturierungsmethoden – Stand der Technik 2.3 Elektronenstrahlstrukturierung 2.3.1 Wechselwirkungen von Elektronen mit Festkörpern 2.3.2 Thermische Mikrobearbeitung 2.3.3 Nichtthermische Mikrobearbeitung 3 Zielsetzung und Lösungsansatz 3.1 Ziele dieser Arbeit 3.2 Prinzip Mikrokavität-OLED 4 Methodische Untersuchungen und Charakterisierung 4.1 OLED-Testsubstrate 4.1.1 Aufbau und Layout 4.1.2 Schichtabscheidung 4.2 Elektronenstrahlbehandlung 4.3 Analysemethoden 4.3.1 Schichtcharakterisierung 4.3.2 Elektro-optische Charakterisierung 4.3.3 FTIR-Spektroskopie 4.3.4 Photolumineszenz-Spektroskopie 5 Experimentelle Ergebnisse und Diskussion 5.1 Nichtthermische Elektronenstrahlbearbeitung von organischen Einzelschichten 5.1.1 Spektroskopische Untersuchungen 5.1.2 Elektrische Untersuchungen von Hole-Only-Devices 5.2 Nichtthermische Elektronenstrahlbearbeitung von OLEDs 5.2.1 Elektro-optische Untersuchungen 5.2.2 Hochauflösende Graustufenstrukturierung 5.2.3 Einfluss eines anschließenden Temperns 5.3 Thermische Elektronenstrahlbearbeitung 5.3.1 Thermische Elektronenstrahlstrukturierung organischer Schichten 5.3.2 Elektronenstrahlstrukturierung für Mikrokavität-OLEDs 6 Zusammenfassung und Ausblick A Technische Ergänzunge B Literaturverzeichnis C Abbildungsverzeichnis D Tabellenverzeichnis E Abkürzungsverzeichnis F Lebenslauf der Autorin G Wissenschaftliche Publikationen H Danksagung / In this work different possibilities of electron beam patterning for organic layers are investigated and characterized. Depending on the energy and power of the accelerated beam electrons, different interaction processes with the material can be initiated. Within the performed experiments it could be demonstrated that these effects range from structural chemical changes up to a localized evaporation of material. In addition to investigations of individual organic layers, organic light-emitting diodes (OLEDs) and their changes under the influence of electrons are also characterized. When OLEDs are patterned with an electron beam process with low power, both the electrical conductivity and the luminance of the OLED are reduced. The changes in the organic materials are locally strongly limited to the location of the electron penetration. This could be used to demonstrate a high-resolution grayscale patterning and to write an image with critical dimensions of 2 µm into a white OLED using an electron beam process. Electron beam processes with higher power cause a thermal effect and are able to evaporate thin organic layers locally. With such a process, a linear and areal shaped removal could be realized without damaging the underlying electrode. OLEDs have the advantage that they can be produced in thin-film technology. Furthermore they are an area light source, that has a high contrast and very good color properties. Therefore, most of the modern displays consist of OLEDs. Traditionally, OLED color displays are made by structured deposition through fine metal masks or by the use of white OLEDs together with color filters. As part of this work, an alternative structuring concept has been developed that offers the possibility of producing an OLED color display using an electron beam process. The layer system of the OLED forms an optical resonator in which the electrodes represent the microcavity and the thickness of the organic layers defines the resonator length. By means of cavity-selective mode selection, it is possible to extract different colors from the spectrum of a white OLED by changing the resonator length. In the present work, this adjustion of the resonator length was carried out by electron beam patterning of the first organic layer, thus generating and characterizing red, green and blue OLEDs. In addition to the fundamental investigations on this approach, limits and future perspectives of the method were finally pointed out.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Organische Leuchtdioden (OLEDs) 2.1.1 Organische Halbleiter 2.1.2 Aufbau und Funktionsweise von OLEDs 2.1.3 Elektro-optische Charakteristik 2.2 OLED-Vollfarbdisplays 2.2.1 Funktionsweise und Konzepte 2.2.2 Strukturierungsmethoden – Stand der Technik 2.3 Elektronenstrahlstrukturierung 2.3.1 Wechselwirkungen von Elektronen mit Festkörpern 2.3.2 Thermische Mikrobearbeitung 2.3.3 Nichtthermische Mikrobearbeitung 3 Zielsetzung und Lösungsansatz 3.1 Ziele dieser Arbeit 3.2 Prinzip Mikrokavität-OLED 4 Methodische Untersuchungen und Charakterisierung 4.1 OLED-Testsubstrate 4.1.1 Aufbau und Layout 4.1.2 Schichtabscheidung 4.2 Elektronenstrahlbehandlung 4.3 Analysemethoden 4.3.1 Schichtcharakterisierung 4.3.2 Elektro-optische Charakterisierung 4.3.3 FTIR-Spektroskopie 4.3.4 Photolumineszenz-Spektroskopie 5 Experimentelle Ergebnisse und Diskussion 5.1 Nichtthermische Elektronenstrahlbearbeitung von organischen Einzelschichten 5.1.1 Spektroskopische Untersuchungen 5.1.2 Elektrische Untersuchungen von Hole-Only-Devices 5.2 Nichtthermische Elektronenstrahlbearbeitung von OLEDs 5.2.1 Elektro-optische Untersuchungen 5.2.2 Hochauflösende Graustufenstrukturierung 5.2.3 Einfluss eines anschließenden Temperns 5.3 Thermische Elektronenstrahlbearbeitung 5.3.1 Thermische Elektronenstrahlstrukturierung organischer Schichten 5.3.2 Elektronenstrahlstrukturierung für Mikrokavität-OLEDs 6 Zusammenfassung und Ausblick A Technische Ergänzunge B Literaturverzeichnis C Abbildungsverzeichnis D Tabellenverzeichnis E Abkürzungsverzeichnis F Lebenslauf der Autorin G Wissenschaftliche Publikationen H Danksagung

L’émission spontanée de lumière par un émetteur n’est pas un processus intrinsèque. D’une part, il dépend de l’environnement électromagnétique. D’autre part, il dépend de la présence d’autres émetteurs avec lesquels il peut interagir et générer des interférences.Ces deux effets ont été, dans la plupart des cas, étudiés de manière indépendante. L'objectif de cette thèse est d'explorer comment contrôler l'émission de lumière en utilisant simultanément ces deux types d’effets.La première partie est consacrée à une étude théorique d'un système idéal de deux émetteurs couplés à un résonateur. Les deux émetteurs sont placés à proximité, et l’interaction dipôle-dipôle conduit à la formation de deux états, superradiant et sous-radiant. Le système que l’on obtient agit en tant que source et mémoire quantique de photons uniques, efficace et modulable. On étudie ensuite le cas d’un résonateur plasmonique, à symétrie spatiale antisymétrique, qui permet d’exciter efficacement l’état sous-radiant. On montre qu’on obtient ainsi une forte exaltation de l'effet Purcell, tout en conservant un état spectralement étroit.La deuxième partie explore un système comportant un très grand nombre d’émetteurs couplés à un plasmon de surface se propageant le long d’une interface métal air. Les émetteurs sont des nanoplaquettes, ou puits quantiques colloïdaux. Lorsqu’un film de nanoplaquettes est déposé sur le métal, il est possible d’obtenir un couplage fort. Ce couplage au plasmon de surface permet d'obtenir une émission directive et polarisée. / Spontaneous emission of light is not an intrinsic property of an emitter. On the one hand, it depends on the electromagnetic environment. On the other hand, it depends on the presence of other emitters with whom it may interact and generate interferences. Up to date, very few studies address the question of multiple interacting emitters coupled to a resonator. The goal of this thesis is to combine both collective effects and nanoresonators to control the spontaneous emission and scattering of light emitters.First, we theoretically study an ideal system consisting of two emitters coupled to a resonator. The emitters are in close proximity, and the dipole-dipole interaction generates a superradiant state and a subradiant state. The system that we obtain behaves as an efficient, and tunable, single photon source and quantum memory. We then switch to the case of a plasmonic resonator with an antisymmetric mode, which allows to efficiently excite the subradiant state. We show that this results in an enhancement of the Purcell effect while maintaining a spectrally narrow state.In the second part of this thesis, we explore a system of a large number of emitters coupled to a surface plasmon travelling along a metal-air interface.The emitters are nanoplatelets, also called colloidal quantum wells. Strong coupling is obtained when a layer of nanoplatelets is deposited on top of the metal. The coupling of the nanoplatelets to the surface plasmon allows to obtain directional and polarized light emission.

Ce travail de thèse concerne la réalisation et l'analyse des propriétés optiques de nanocristaux de silicium. Ces objets de taille nanométrique possèdent des propriétés optiques remarquables, en particulier de photoluminescence. Les propriétés de confinement quantique qui les caractérisent permettent d'obtenir un signal de luminescence intense dans le domaine du visible. Des composants optoélectroniques et photoniques ont été envisagés à base de nanocristaux de silicium. Les raisons physiques du fort signal de luminescence en revanche sont encore mal comprises. Les nanocristaux de silicium sont élaborés par évaporation. L'élaboration et le recuit thermique de multicouches SiO/SiO2 permet d'obtenir des nanocristaux de silicium de diamètre moyen bien contrôlé. Ceux-ci sont issus de la démixtion de la couche de SiO selon la réaction SiOx --> Si + SiO2. Le contrôle du diamètre des nanocristaux de silicium permet de maîtriser la région spectrale de luminescence dans la région du visible.La première partie de ce travail de thèse vise à isoler un ou quelques nanocristaux de silicium. L'objectif est de remonter à la largeur homogène de ces nano-objets. Dans un premier temps, une étude centrée sur le matériau SiOx est réalisée afin de réduire la densité surfacique de nanocristaux de silicium. Dans un deuxième temps, des moyens de lithographie ultime sont mis en oeuvre afin de réaliser des masques percés de trous de diamètres de l'ordre de la centaine de nanomètre. Des expériences de spectroscopie optique sont réalisées sur ces systèmes.La deuxième partie de ce travail vise à contrôler l'émission spontanée de lumière issue des nanocristaux de silicium. Ceci se fait en couplant les modes électroniques aux modes optiques confinés d'une microcavité optique. Le manuscrit détaille les moyens développés afin d'obtenir une microcavité optique dont les modes optiques puissent se coupler efficacement aux nanocristaux de silicium. Les propriétés optiques de ces systèmes sont finalement analysées. / This work concerns the implementation and analysis of optical properties of silicon nanocrystals. These nanoscaled objects have remarkable optical properties, especially in photoluminescence. The properties of quantum confinement that characterize them allow obtaining an intense luminescence signal in the visible range. Optoelectronic and photonic devices have been proposed based on silicon nanocrystals. The physical reasons of the strong luminescence signal, however, are still poorly understood. The silicon nanocrystals are prepared by evaporation. The preparation and thermal annealing of multilayers SiO/SiO2 leads to silicon nanocrystals with a well controlled average diameter. They are created during the demixing of the SiO layer by the reaction SiO ? Si + SiO2. The control the diameter of the silicon nanocrystals influences directly the spectral region of luminescence in the visible region.The aim of first part of this work is to isolate one or a few silicon nanocrystals. The intent is to trace the homogeneous width of these nano-objects. Initially, a study focusing on the SiOx material is conducted to reduce the surface density of silicon nanocrystals. In a second step, lithography is implemented to make masks with holes with diameters of about one hundred nanometers. Optical spectroscopy experiments were performed on these systems.The second part of this work aims controlling the spontaneous emission of light from silicon nanocrystals. This is done by coupling the electronic transmission to optical modes confined in an optical microcavity. The manuscript describes the methods developed to obtain an optical microcavity whose optical modes can be coupled effectively to the silicon nanocrystals. The optical properties of these systems are finally analyzed