Düsseldorf, Universiẗat, Diss., 2002.

Techn. University, Diss., 2005--Dresden.

Techn. University, Diss., 2003--Dresden.

Stuttgart, Univ., Diss., 2002.

Main focus of the present dissertation was to gain new insight about the interaction between magnetic ions and the conduction band of diluted magnetic semiconductors. This interaction in magnetic semiconductors with carrier concentrations near the metal-insulator transition (MIT) in an external magnetic field is barely researched. Hence, n-doped Zn1−xMnxSe:Cl samples were studied. Resonant Raman spectroscopy was employed at an external magnetic field between 1T and 7T and a temperature of 1.5K. The resulting magnetization of the material amplifies the splitting of states with opposite spins both in the valence and the conduction band. This is known as the "giant-Zeeman-effect". In this thesis, the resonance of the electron spin flip process, i.e. the enhancement of the signal depending on the excitation energy, was used as an indicator to determine the density of states of the charge carriers. The measured resonance profiles of each sample showed a structure, which consist of two partially overlapping Gaussian curves. The analysis of the Gaussian curves revealed that their respective maxima are separated independent of the magnetic field strenght by about 5 meV, which matches the binding energy of the donor bound exciton (D0, X). A widening of the full width at half maximum of the resonance profile was observed with increasing magnetic field. A detailed analysis of this behavior showed that the donor bound exciton spin flip resonance primarily accounts for the widening for all samples with doping concentrations below the metal insulator transition. A model was proposed for the interpretation of this observation. This is based on the fundamental assumptions of a spatially random distribution of the manganese ions on the group-II sublattice of the ZnSe crystal and the finite extension of the excitons. Thus, each exciton covers an individual quantity of manganese ions, which manifest as a local manganese concentration. This local manganese concentration is normally distributed for a set of excitons and hence, the evaluation of the distribution allows the determination of exciton radii Two trends were identified for the (D0, X) radii. The radius of the bound exciton decreases with increasing carrier concentration as well as with increasing manganese concentration. The determination of the (D0, X) radii by the use of resonant spin flip Raman spectroscopy and also the observation of the behavior of the (D0, X) radius depending on the carrier concentration, was achieved for the first time. For all samples with carrier concentrations below the metal-insulator transition, the obtained (X0) radii are up to a factor of 5.9 larger than the respective (D0, X) radii. This observation is explained by the unbound character of the (X0). For the first time, such an observation could be made by Raman spectroscopy.Beside the resonance studies, the shape of the Raman signal of the electron spin flip was analyzed. Thereby an obvious asymmetry of the signal, with a clear flank to lower Raman shifts, was observed. This asymmetry is most pronounced, when the spin flip process is excited near the (D0, X) resonance. To explain this observation, a theoretical model was introduced in this thesis. Based on the asymmetry of the resonantly excited spin flip signal, it was possible to estimate the (D0, X) radii, too. At external magnetic fields between 1.25T and 7T, the obtained radii lie between 2.38nm and 2.75nm. Additionally, the asymmetry of the electron spin flip signal was observed at different excitation energies. Here it is striking that the asymmetry vanishes with increasing excitation energy. At the highest excitation energy, where the electron spin flip was still detectable, the estimated radius of the exciton is 3.92nm. Beside the observations on the electron spin flip, the resonance behavior of the spin flip processes in the d-shell of the incorporated Mn ions was studied in this thesis. This was performed for the direct Mn spin flip process as well as for the sum process of the longitudinal optical phonon with the Mn spin flip. For the Stokes and anti-Stokes direct spin flip process and for the Stokes sum process, each the resonance curve is described by considering only one resonance mechanism. In contrast, resonance for the sum process in which an anti-Stokes Mn spin flip is involved, consists of two partially overlapping resonances due to different mechanisms. A detailed analysis of this resonance profile showed that for (Zn,Mn)Se at the chosen experimental parameters, an incoming and outgoing resonance can be achieved, separated by a few meV. Hereby, at a specific excitation energy range and a high excitation power, it was possible to achieve an inversion of the anti-Stokes to Stokes intensity, because only the anti-Stokes Mn spin flip process was enhanced resonantly. / Ziel der Dissertation war das Erlangen neuer Erkenntnisse zur Wechselwirkung der magnetischen Ionen und des Leitungsbandes von verdünnten magnetischen Halbleitern. Diese Interaktion bei magnetischen Halbleitern mit Ladungsträgerkonzentration nahe des Metall-Isolator Übergangs (metal-insulator transition MIT) in externen Magnetfeldern ist bisher kaum erforscht. Daher wurden Untersuchung n-dotierte Zn1−xMnxSe:Cl untersucht. Als Analysetechnik wurde die resonante Spin Flip Raman-Spektroskopie bei einem externen Magnetfeld zwischen 1T und 7T und einer Temperatur von 1,5 K angewandt. Durch die entstehende Magnetisierung des Materials werden die Aufspaltungen der Zustände mit entgegengesetzten Spins sowohl im Valenz- als auch im Leitungsband verstärkt. Dies ist als "giant-Zeeman effect" bekannt. In dieser Arbeit wurde die Resonanz des Spin Flip Prozesses, d.h. die Signalerhöhung in Abhängigkeit der Anregungsenergie, als Indikator zur Bestimmung der Ladungsträgerzustandsdichte genutzt. Die gemessenen Resonanzprofile aller Proben zeigten dabei eine Struktur, welche aus sich zwei teilweise überlagernden Gaußkurven bestand. Mit steigendem Magnetfeld wurde eine deutliche Zunahme der Halbwertsbreite der Resonanzprofile beobachtet. Die detaillierte Analyse dieses Verhaltens zeigte, dass für alle Proben mit einer Dotierung unterhalb des Metall-Isolator-Übergangs, die Verbreiterung primär auf den Donor gebundenen Exzitonen Anteil der Resonanzkurve entfällt. Zur Deutung dieser Beobachtung wurde ein Modell entwickelt. Dieses beruht auf der grundlegenden Annahme einer räumlich statistisch Verteilung der Mangan-Ionen auf dem Gruppe-II Untergitter des ZnSe Kristalls, sowie der endlichen Ausdehnung der Exzitonen. Somit erfasst jedes einzelne Exziton eine individuelle Anzahl von Mangan-Ionen, was sich als lokale Mangankonzentration manifestiert. Diese lokale Mangankonzentration normalverteilt für ein Set von Exzitonen und deren Auswertung erlauben einen Rückschluss auf die Radien der Exzitonen. Zwei Trends für die (D0, X) Radien konnten identifiziert werden. Sowohl mit steigender Ladungsträgerkonzentration als auch mit steigendem Mangangehalt nimmt der Radius der gebundenen Exzitonen ab. Es gelangte erstmalig die Bestimmung der (D0, X) Radien mittels resonanter Spin Flip Raman-Spektroskopie und die Beobachtung des Verhaltens der (D0, X) Radien in Abhängigkeit der Ladungsträgerkonzentration. Die ermittelten (X0) Radien sind für die Proben mit Ladungsträgerkonzentrationen unterhalb des Metall-Isolator-Übergangs im Vergleich zu den (D0, X) Radien um einen Faktor von bis zu 5,9 größer. Diese Beobachtung lässt sich durch den ungebundenen Charakter der (X0) erklären. Aufgrund dessen erfasst ein (X0) während seiner Lebenszeit im Vergleich zu einem (D0, X) einen räumlich ausgedehnteren Bereich des Kristalls. Hierdurch konnte erstmalig mittels Raman-Spektroskopie solch eine Beobachtung gemacht werden. Neben den Resonanzuntersuchungen des elektronischen Spin Flips wurde dessen Preakform im Ramanspektrum analysiert. Dabei wurde eine deutliche Asymmetrie des Signals beobachtet, sichtbar als Flanke zu niedrigeren Raman- Verschiebungen. Zur Erklärung dieser Beobachtungen kann ebenfalls das eingeführte Modell angewandt werden. Anhand der Asymmetrie des resonant angeregten Spin Flip Signals konnten hiermit die Radien der (D0, X) bestimmt werden. Zusätzlich wurde die Asymmetrie bei unterschiedlichen Anregungsenergien sichtbar. Hierbei fiel auf, dass diese mit steigender Anregungsenergie abnimmt. Desweiteren wurde zusätzlich zu den Beobachtungen des elektronischen Spin Flips, das Resonanzverhalten des Spin Flips der einzelnen Mn-Ionen in dieser Arbeit untersucht. Dies wurde sowohl für den direkten Mn Spin Flip Prozess, als auch den Summenprozesses aus einem longitudinal optischen Phonon und einem Mn Spin Flip durchgeführt. Jeweils eine Resonanz wurde sowohl für die direkten Stokes und anti-Stokes Prozesse, als auch für den Stokes Summenprozess beobachtet. Im Gegensatz hierzu besteht das Resonanzprofil des Summenprozesses, bei dem ein Anti-Stokes Mn Spin Flip involviert ist, aus zwei sich überlappenden Resonanzanteile. Eine genaue Analyse dieses Resonanzprofils ergab, dass es bei (Zn,Mn)Se und den gewählten experimentellen Parametern möglich ist, sowohl eine eingehende als auch eine ausgehende Resonanz für diesen Summenprozess mit einer Energiedifferenz von wenigen meV zu erhalten. Die zusätzlich auftretende eingehende Resonanz konnte dabei dem optischen Übergang von dem mj = 1/2 Valenzband- zum mj = -1/2 Leitungsbandzustand zugeordnet werden. Die daraufhin folgende Anregung eines LO Phonons führt zu einer Reduzierung der Energie des gestreuten Photons. Dies erzeugt die beobachtete Überlagerung der Resonanzen, gemessen in der Energie der gestreuten Photonen. Hierdurch war es möglich, bei geeigneter Anregungsenergie und hoher Anregungsleistung eine Inversion der Anti-Stokes zu Stokes Intensität zu beobachten, da die eingehende Resonanz in diesem Fall nur für den Anti-Stokes Mn Spin Flip auftrat

Im Zentrum dieser Arbeit standen ramanspektroskopische Untersuchungen der elektronischen spin-flip-Übergänge an semimagnetischen (Zn,Mn)Se Proben. Hierbei wurden sowohl Quantentrogstrukturen untersucht als auch volumenartige Proben. Ziel der Forschung war dabei, ein tieferes Verständnis der Wechselwirkungen der magnetischen Ionen mit den Leitungsbandelektronen der Materialien zu gewinnen. Im Hinblick auf mögliche zukünftige spin-basierte Bauelemente lag das Hauptaugenmerk auf dem Einfluss von n-Dotierung bis zu sehr hohen Konzentration. Hierfür standen verschiedene Probenreihen mit unterschiedlichen Dotierungskonzentrationen zur Verfügung. / In the present doctoral thesis, spin flip Raman studies of semimagnetic (Zn,Mn)Se samples were in the focus of interest. Quantum wells as well as bulk-like materials were investigated. The main goal was a better understanding of the exchange interaction behaviour of heavily n-doped semimagnetic samples. The influence of doping on the exchange interaction is of special relevance with regard to spintronics applications. Several series of high quality MBE-grown (Zn,Mn)Se -samples samples were available.

ZnO-based semiconductors were studied by Raman spectroscopy and complementary methods (e.g. XRD, EPS) with focus on semimagnetic alloying with transition metal ions, doping (especially p-type doping with nitrogen as acceptor), and nanostructures (especially wet-chemically synthesized nanoparticles). / ZnO-basierte Halbleiter wurden mittels Ramanspektroskopie und komplementärer Methoden (z.B. XRD, EPS) untersucht mit den Schwerpunkten semimagnetische Legierung mit Übergangsmetallen, Dotierung (vor allem p-Dotierung mit Stickstoff als Akzeptor) und Nanostrukturen (vor allem nass-chemisch hergestellte Nanopartikel).

The history of silicon technology showed that controlled doping was a key step for the realization of e®ective, stable and reproducible devices. When the conduction type was no longer determined by impurities but could be controlled by doping, the breakthrough of classical microelectronics became possible. Unlike inorganic semiconductors, organic dyes are up to now usually prepared in a nominally undoped form. However, controlled and stable doping is desirable in many organic-based devices as well. If we succeed in shifting the Fermi level towards the transport states, this could reduce ohmic losses, ease carrier injection from contacts and increase the built-in potential of Schottky- or pn-junctions.

The history of silicon technology showed that controlled doping was a key step for the realization of e®ective, stable and reproducible devices. When the conduction type was no longer determined by impurities but could be controlled by doping, the breakthrough of classical microelectronics became possible. Unlike inorganic semiconductors, organic dyes are up to now usually prepared in a nominally undoped form. However, controlled and stable doping is desirable in many organic-based devices as well. If we succeed in shifting the Fermi level towards the transport states, this could reduce ohmic losses, ease carrier injection from contacts and increase the built-in potential of Schottky- or pn-junctions.

Organische Halbleiter werden für viele elektronische Bauteile und Anwendungen wie organische Solarzellen, organische Leuchtdioden und thermoelektrische Generatoren benötigt. Während die Leistung organischer p-Halbleiter in letzter Zeit bereits stark verbessert wurde, hinkt die Entwicklung von guten organischen n-Halbleitern hinterher und konnte bisher nur eingeschränkt vom Innovationsschub profitieren. Um die Effizienten dieser Bauteile weiter zu verbessern werden neue Hochleistungsmaterialien, vor allem im Bereich der n-Halbleiter benötigt. Ein wichtiges Kriterium ist dabei ein genügend tief liegendes LUMO-Energieniveau, welches luftstabile Radikalanionen ermöglicht. In dieser Arbeit werden daher verschiedene konjugierte Materialien auf Basis von Naphthalindiimiden (NDI) synthetisiert und charakterisiert. Anhand von niedermolekularen Modellverbindungen werden zunächst die Einflüsse verschiedener Kernsubstituenten auf die elektronische Struktur, Effizienz der Radikalanionenbildung und Luftstabilität der reduzierten Spezies untersucht. Gemischt mit einer kovalent an NDI angebundenen tertiären Amin Seitenkette wird photoinduziert ein intermolekularer Dotierungsprozess beobachtet, welcher mit abnehmendem Donorcharakter der Kernsubstituenten, bzw. mit sinkendem HOMO zunimmt. Das elektronenärmste NDI-Derivat mit zwei Cyano-Gruppen zeigt dabei die höchste Radikalanionen-Ausbeute und liefert Radikalanionen, die an Luft stabil sind. Dieses System wurde auf polymere Strukturen übertragen und NDI-Polymere mit niedrigen HOMO- und LUMO-Energieniveaus synthetisiert. Als Comonomer wird 1,4-Phenylen mit nur schwach elektronenschiebendem Charakter mit dem klassischen elektronenreichen Bithiophen verglichen. Die resultierenden Copolymere, jeweils mit und ohne Cyanosubstituenten wurden eingehend charakterisiert. Auch hier können luftstabile Radikalanionen in hohen Ausbeuten generiert werden. Diese Arbeit liefert ein grundlegenderes Verständnis der energetischen und strukturellen Voraussetzungen für Elektronentransferprozesse zwischen tertiären Aminen und elektronenarmen NDI-Derivaten unterschiedlicher Energieniveaus. Sie führt zu einem rationaleren Design von konjugierten Materialien mit selbstdotierenden Eigenschaften, um beispielsweise Radikalanionenkonzentration und Leitfähigkeit von organischen n-Halbleitern zu kontrollieren.:BIBLIOGRAPHISCHE BESCHREIBUNG UND REFERAT 5 I. ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS VIII 1. EINLEITUNG 11 1.1 Organische Elektronik 12 1.1.1 Organische Thermoelektrika 14 1.1.2 Organische n Halbleiter auf Rylen Basis 18 1.2 C-C-Kupplungsreaktionen 25 1.2.1 Stille-Kupplung 27 1.2.2 Direkte C-H-Arylierungsreaktion 29 1.3 Dotierung organischer n Halbleiter 31 1.3.1 Selbstdotierung organischer Halbleiter mit Aminen 35 2. AUFGABENSTELLUNG 38 3. ERGEBNISSE UND DISKUSSION 40 3.1 PNDIT2 mit Aminoseitenketten 40 3.1.1 Synthese der Monomere 40 3.1.2 Polymerisation zu DMAP PNDIT2 41 3.1.3 Selbstdotierung von DMAP PNDIT2 42 3.2 DMAP NDI X2-Modellverbindungen 46 3.2.1 Synthesen von DMAP NDI X2 46 3.2.2 Untersuchung der Selbstdotierung von DMAP NDI X2 50 3.3 Kernsubstituierte Alkyl-NDI X2Y2 Modellverbindungen 53 3.3.1 Synthesen von NDI X2Y2 53 3.3.2 Elektronische Charakterisierungen 55 3.3.3 Untersuchung der intermolekularen Dotierung 62 3.3.4 Variation der Alkylseitenketten von Amino NDI und NDI CN2 74 3.4 NDI Copolymere 84 3.4.1 NDI Bipyridin 84 3.4.2 Synthese elektronenarmer NDI Polymere 94 3.4.3 Thermische Charakterisierung der NDI Polymere 99 3.4.4 Elektronische Charakterisierungen der NDI Polymere 101 3.4.5 Intermolekulare Dotierung der NDI Polymere 104 3.4.6 Elektrische Leitfähigkeiten der NDI Polymere 109 4. ZUSAMMENFASSUNG 112 5. AUSBLICK 120 6. EXPERIMENTALTEIL 122 6.1 Methoden und Geräte 122 6.1.1 Magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) 122 6.1.2 Optische Charakterisierung (UV Vis) 122 6.1.3 UV Bestrahlung 122 6.1.4 Cyclovoltammetrie (CV) 123 6.1.5 Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (EPR) 123 6.1.6 Differential-Scanning-Calorimetry (DSC) 123 6.1.7 Thermogravimetrische Analyse (TGA) 124 6.1.8 Gelpermeationschromatographie (GPC) 124 6.1.9 Röntgenweitwinkelstreuung (GIWAXS) 124 6.1.10 Massenspektrometrie (MS) 125 6.1.11 Elektrische Leitfähigkeit 125 6.1.12 Kommerzielle Chemikalien und Ausgangsstoffe 126 6.2 Synthesen 127 7. ANHANG 163 8. LITERATURVERZEICHNIS 175 II. SELBSTSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG 189 III. DANKSAGUNG 191 IV. LEBENSLAUF 192 Ausbildung und beruflicher Werdegang 192 Auszeichnungen 192 V. LISTE DER PUBLIKATIONEN UND VORTRÄGE 193