The modification of the radiation pattern and radiative lifetime of dye molecules in three-dimensional colloidal photonic crystals is studied, using high-resolution optical microscopy and spectroscopy. The experimental observations are compared to corresponding calculations of the local optical density of states. It can be concluded, that the fluorescence of the molecules is redistributed spectrally and spatially within the photonic crystal. / Mit Hilfe hochauflösender optischer Mikroskopie und Spektroskopie werden Änderungen der Abstrahlcharakteristik und strahlenden Lebensdauer von Farbstoffmolekülen in dreidimensionalen kolloidalen photonischen Kristallen untersucht. Die experimentellen Beobachtungen werden mit entsprechenden Berechnungen der lokalen optischen Zustandsdichte verglichen. Hieraus kann auf eine spektrale und räumliche Umverteilung der Fluoreszenz der Moleküle im photonischen Kristall geschlossen werden.

Investigations on pulsed reactive magnetron sputtering processes for the deposition of thin oxide films are presented by means of time-resolved and time-integrated measurements. The pulsed process can be successfully described in terms of a model of Berg et al. for reactive sputtering processes. Time-resolved Langmuir double probe measurements are confirmed using time-resolved optical emission spectroscopy. Combining the results leads to an insight into elementary processes governing the discharge. / Mit Hilfe zeitlaufgelöster und zeitlich mittelnder Methoden wird eine gepulste Magnetronentladung zur reaktiven Abscheidung von Oxidschichten untersucht. Das Modell von Berg et al. zur Beschreibung des Abscheideprozesses lässt sich dabei erfolgreich auf die reaktive Abscheidung mit einem gepulsten Prozess anwenden. Mittels zeitaufgelöster optischer Emissionsspektroskopie können die Ergebnisse zeitaufgelöster Langmuir-Doppelsondenmessungen bestätigt werden. In Kombination ermöglichen diese Verfahren die Untersuchung von Elementarprozessen in der Entladung.

Gegenstand der Dissertation sind Untersuchungen zur Photolumineszenz von Silizium-Nanokristallen. Den Schwerpunkt bilden dabei die Messungen an isolierten Partikeln mittels konfokaler Mikroskopie und optischer Spektroskopie. Von einzelnen Silizium-Partikeln konnten relativ schmale, strukturierte Photolumineszenzbanden detektiert werden, die die Aussagen des Quantum-Confinement-Modells bestätigen. Ein weiteres Merkmal der Photolumineszenz von einzelnen Halbleiter-Nanopartikeln ist das so genannte Blinken. Die Erstellung von Blinkstatistiken unter verschiedenen Anregungsbedingungen ermöglichte es, die zum Blinken führenden photophysikalischen Prozesse genauer zu charakterisieren. Es wird unter anderem gezeigt, dass das reversible Bleichen der Lumineszenz von Silizium-Nanokristall-Ensemblen und porösem Silizium auf ein instationäres Blinkverhalten zurückzuführen ist. Abschließend werden Bezüge zu den astrophysikalischen Beobachtungen von der Extended Red Emission hergestellt und verschiedene Tunnel- und Random-Walk-Modelle zur Beschreibung der photophysikalischen Prozesse diskutiert.

Amorphous, hydrogenated carbon films (a-C:H) have been prepared in a PECVD device from methane and ethine as the source gases.The aim was to deposit films at high growth rates while keeping high hardness (25 ± 3 GPa). Hardness, hydrogen content and surface roughness were investigated dependent on the process conditions. Further investigation showed, that the mechanical properties of the a-C:H films are determined by the energy of the ions and the ratio between the film forming ion and the film forming neutral fluxes. On the basis of the collected data the optimal deposition conditions were determined and suggestions for further improvement of the deposition were made. / Amorphe, wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten (a-C:H) wurden mittels PECVD-Verfahren abgeschieden, wobei Methan und Ethin als Quellgase verwendet wurde. Ziel war dabei die Abscheidung der Schichten mit hohen Aufwachsraten unter Beibehaltung hoher Härten (25 ± 3 GPa). Härte, Wasserstoffgehalt und Oberflächenrauhigkeit der Schichten wurden in Abhängigkeit von den Prozeßbedingungen untersucht. Weitere Untersuchungen zeigten, daß die mechanischen Eigenschaften der a-C:H Schichten von der Energie der Ionen und dem Verhältnis der schichtbildenden Ionen- und Neutralteilchenflüsse bestimmt werden. Auf der Grundlage der gewonnenen Daten können die optimalen Abscheidebedingungen festgelegt, und Vorschläge zur weiteren Verbesserung der Schichtabscheidung gemacht werden.

Im Fokus dieser Dissertation stehen anorganisch-organische Hybridaggregate aus Kadmiumselenid-Nanokristallen und funktionalisierten Porphyrinmolekülen in Lösung. Mit Hilfe von statischen und zeitaufgelösten Methoden der optischen Spektroskopie wird nachgewiesen, daß die Bildung der Aggregate durch spontane Adsorption der funktionalisierten Moleküle an der Nanokristalloberfläche erfolgt. Dabei ist von einem dynamischen Gleichgewicht zwischen den Porphyrinmolekülen und den ursprünglichen Nanokristall-Liganden (TOPO) auszugehen. In der Photophysik der Hybridaggregate lassen sich ein resonanter Energietransfer nach Förster, der vom Nanokristall zum Porphyrinmolekül gerichtet ist, sowie eine Elektronen-Austauschwechselwirkung zwischen beiden Komponenten nach Dexter nachweisen. Mit Hilfe einer Erweiterung des Stern-Volmer-Ansatzes zur Beschreibung der Fluoreszenzlöschung für bimolekulare Reaktionen können die jeweiligen Anteile für eine Serie von Nanokristallen unterschiedlicher Größe und zweierlei Beschaffenheit grob quantifiziert werden. Ferner wird der Einfluß diffundierender Ladungen auf die Quantenausbeute von Halbleiternanokristallen anhand von zeitkorrelierter Einzelphotonenerfassung untersucht. Mit Hilfe einer Detektionsmethode, die die Zeitreihe der Ankunftszeiten einzelner Photonen erhält (tt-TCSPC), ist es möglich, den in eine Polymermatrix eingebetteten Halbleiternanokristallen charakteristische Fluktuationen der Fluoreszenzlebensdauer mit individueller Zeitkonstante zuzuordnen. / This Thesis is devoted to the formation and the photophysics of inorganic/organic hybride nanoaggregates designed from CdSe semiconductor nanocrystals and pyridyl-functionalized porphyrin molecules in solution at ambient conditions. The formation of the aggregates is revealed to be based on a spontaneous adsorption of the functionalized porphyrin molecules on the nanocrystal surfaces, with a dynamic equilibrium sustained due to the competition with TOPO, ie. the original surface ligand. The evidence for the existence of the self-assembled aggregates is furnished by the proof of a directed Förster resonant energy transfer from the nanocrystal to the porphyrin molecules at low compound concentrations. By means of steady-state and time-resolved optical spectroscopy, the resonant energy transfer (RET) is valued to be accompanied by at least one more secondary quenching mechanism. Motivated by the aptitude of the nanocrystals to host more than one molecule at once, the detection and quantification of this process is done by an extension of the conventional Stern-Volmer kinetics valid for bimolecular reactions. With that, the secondary interaction process aside from RET is explained in terms of a Dexter-type energy transfer that, on ist part, can be put down to a generation of charge-induced shallow trap states within the semiconductor nanocrystal. This model is in qualitative accordance with the known phenomena of fluorescence intermittency and spectral diffusion. The role of a fluctuating environment to affect the fluorescence quantum yield of the nanocrystals is confirmed by time-tagged time-correlated single-photon counting (tt-TCSPC) on single nanocrystals in a polymer matrix. The measurements show that the fluorescence lifetime of the nanocrystals is characterized by individual characteristic fluctuations possibly induced by temporal and spatial inhomogeneities in the distribution of the dielectric constants.

No description available.

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Within the course of this thesis, I have investigated the complex interplay between electron and lattice dynamics in nanostructures of perovskite oxides. Femtosecond hard X-ray pulses were utilized to probe the evolution of atomic rearrangement directly, which is driven by ultrafast optical excitation of electrons. The physics of complex materials with a large number of degrees of freedom can be interpreted once the exact fingerprint of ultrafast lattice dynamics in time-resolved X-ray diffraction experiments for a simple model system is well known. The motion of atoms in a crystal can be probed directly and in real-time by femtosecond pulses of hard X-ray radiation in a pump-probe scheme. In order to provide such ultrashort X-ray pulses, I have built up a laser-driven plasma X-ray source. The setup was extended by a stable goniometer, a two-dimensional X-ray detector and a cryogen-free cryostat. The data acquisition routines of the diffractometer for these ultrafast X-ray diffraction experiments were further improved in terms of signal-to-noise ratio and angular resolution. The implementation of a high-speed reciprocal-space mapping technique allowed for a two-dimensional structural analysis with femtosecond temporal resolution. I have studied the ultrafast lattice dynamics, namely the excitation and propagation of coherent phonons, in photoexcited thin films and superlattice structures of the metallic perovskite SrRuO3. Due to the quasi-instantaneous coupling of the lattice to the optically excited electrons in this material a spatially and temporally well-defined thermal stress profile is generated in SrRuO3. This enables understanding the effect of the resulting coherent lattice dynamics in time-resolved X-ray diffraction data in great detail, e.g. the appearance of a transient Bragg peak splitting in both thin films and superlattice structures of SrRuO3. In addition, a comprehensive simulation toolbox to calculate the ultrafast lattice dynamics and the resulting X-ray diffraction response in photoexcited one-dimensional crystalline structures was developed in this thesis work. With the powerful experimental and theoretical framework at hand, I have studied the excitation and propagation of coherent phonons in more complex material systems. In particular, I have revealed strongly localized charge carriers after above-bandgap femtosecond photoexcitation of the prototypical multiferroic BiFeO3, which are the origin of a quasi-instantaneous and spatially inhomogeneous stress that drives coherent phonons in a thin film of the multiferroic. In a structurally imperfect thin film of the ferroelectric Pb(Zr0.2Ti0.8)O3, the ultrafast reciprocal-space mapping technique was applied to follow a purely strain-induced change of mosaicity on a picosecond time scale. These results point to a strong coupling of in- and out-of-plane atomic motion exclusively mediated by structural defects. / Im Rahmen dieser Arbeit habe ich mich mit den komplexen Wechselwirkungen zwischen Elektronen- und Gitterdynamik in oxidischen Perowskit-Nanostrukturen beschäftigt. Dazu wurden verschiedene Proben mit intensiven, ultrakurzen Laserpulsen angeregt. Um die zeitliche Entwicklung der induzierten atomaren Umordnung zu untersuchen, wurden Femtosekunden-Pulse harter Röntgenstrahlung genutzt. Zunächst wurde die ultraschnelle Gitterdynamik in einfachen Modellsystemen mit zeitaufgelösten Röntgendiffraktionsexperimenten untersucht, um im Anschluss ähnliche Experimente an komplexeren Materialien mit mehreren Freiheitsgraden interpretieren zu können. Die Bewegung der Atome in einem Kristall kann über Anrege-Abtast-Verfahren direkt mit gepulster, harter Röntgenstrahlung gemessen werden. Die Dauer der Röntgenpulse muss dafür einige hundert Femtosekunden kurz sein. Um diese ultrakurzen Röntgenpulse zu erzeugen, habe ich eine lasergetriebene Plasma-Röntgenquelle aufgebaut. Der Aufbau wurde um ein stabiles Goniometer, einen zweidimensionalen Röntgendetektor und einen kryogenfreien Kryostat erweitert und in Bezug auf das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und die Winkelauflösung optimiert. Durch die Entwicklung einer schnellen Methode zur Vermessung des reziproken Raums konnte erstmals an solch einer Quelle eine zweidimensionale Strukturanalyse mit Femtosekunden-Zeitauflösung realisiert werden. Die Anregung und Ausbreitung von kohärenten Phononen habe ich in optisch angeregten Dünnfilm- und Übergitterstrukturen untersucht. Eine entscheidende Rolle spielen dabei metallische SrRuO3 Schichten. Durch die quasi-instantane Kopplung des Gitters an die optisch angeregten Elektronen in SrRuO3 wird ein räumlich und zeitlich wohldefiniertes Druckprofil erzeugt. Dadurch kann der Einfluss der resultierenden kohärenten Gitterdynamik auf die zeitaufgelösten Röntgendiffraktionsdaten im Detail verstanden werden. Beobachtet wurde z.B. das Auftreten einer transienten Aufspaltung eines Bragg-Reflexes bei Dünnfilm- und Übergitterstrukturen aus SrRuO3. Außerdem wurde eine umfangreiche Simulationsumgebung entwickelt, mit deren Hilfe die ultraschnelle Dynamik und die dazugehörigen Röntgendiffraktionssignale in optisch angeregten eindimensionalen Kristallstrukturen berechnet werden können. Der von mir entwickelte experimentelle Aufbau sowie das Simulationspaket zur Datenanalyse und -interpretation wurden anschließend für die Untersuchung kohärenter Phononen in komplexeren Materialsystemen eingesetzt. Im Speziellen konnte ich in multiferroischem BiFeO3 eine stark lokalisierte Ladungsträgerverteilung nach einer optischen Femtosekunden-Anregung nachweisen. Sie ist die Ursache für einen quasi-instantanen und räumlich inhomogenen Druck, der die kohärenten Phononen in einem dünnen Film dieses Multiferroikums erzeugt. Außerdem habe ich die ultraschnelle Vermessung des reziproken Raums angewendet, um eine verzerrungsinduzierte Veränderung der Mosaizität in einem strukturell unvollkommenen Film aus ferroelektrischem Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 zu verfolgen. Die Ergebnisse deuten auf eine ausschließlich durch strukturelle Defekte vermittelte Kopplung der atomaren Bewegungen parallel und senkrecht zur Flächennormalen des Filmes hin.

Aerosol particles interact with sunlight through scattering and absorption and have therefore a direct radiative effect. Hygroscopic aerosol particles take up water and are able to grow in size below 100% relative humidity, which involves the change of optical properties and the direct radiative effect. The change of aerosol optical properties for aerosol mixtures under humidification is presently not well understood, especially for the largest particle sources worldwide. The present PhD-thesis quantifies wavelength- and humidity-dependent aerosol optical properties for a mixture of Saharan mineral dust and marine aerosol. For quantification, an aerosol model was developed, which based on in-situ measurements of microphysical and optical properties at Cape Verde. With this model, aerosol optical properties were calculated from the dry state up to 90% relative humidity. To validate the model, a measure of the total extenuated light from particles under ambient conditions was used. Finally, the humidity dependence of aerosol optical properties for marine aerosol, Saharan dust aerosol, and a mixture of both species was described by two empirical equations. With the wavelength of the incident visible solar radiation, relative humidity, and dry dust volume fraction, the humidity dependence of optical properties can be calculated from tabulated values. To calculate radiative effects, aerosol optical properties were used as input parameters for global circulation models including radiative transfer. Due to the complexity of aerosol related processes, they have been treated implicitly, meaning in parameterized form. For modelling purposes, the present PhD-thesis provides a solution to include humidity effects of aerosol optical properties. / Aerosolpartikel wechselwirken durch Streu- und Absorptionsprozesse mit der einfallenden Sonnenstrahlung und haben somit einen direkten Strahlungseffekt. Bei relativen Feuchten bis 100% können Aerosolpartikel aufquellen und somit ihre Größe ändern. Im Zuge des Aufquellens, ändern sich die optischen Eigenschaften und somit auch der direkte Strahlungseffekt der Aerosolpartikel. Speziell für Mischungen von verschiedenen Aerosolspezies ist die Änderung der optischen Eigenschaften des Aerosols durch Feuchte Einfuss noch nicht ausreichend verstanden. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist daher die Quantifizierung der wellenlängen- und feuchteabhängigen optischen Eigenschaften einer Mischung von Saharastaub- und marinen Aerosol. Die zur Quantifizierung notwendigen Daten wurden im Rahmen einer Feldmessung von mikrophysikalischen- und optischen Aerosol-Eigenschaften auf den Kapverdischen Inseln gesammelt. Auf Grundlage dieser Messungen wurde ein Aerosol-Modell entwickelt. Dieses Modell wurde daraufhin verwendet, um Berechnungen von optischen Aerosol-Eigenschaften bei relativen Feuchten bis 90% durchzuführen. Eine Messung der Lichtschwächung durch Aerosolpartikel unter Umgebungsbedingungen wurde verwandt, um das Modell bei Umgebungsfeuchten zu validieren. Die Wellenlängen- und Feuchteabhängigkeit der optischen Eigenschaften des Aerosols wurde parametrisiert und konnte anhand von zwei Parametergleichungen bestimmt werden. Unter Benutzung von tabellierten Werten und der Wellenlänge des einfallenden sichtbaren Sonnenlichtes, der relativen Feuchte, sowie der Staubvolumenfraktion, kann die Feuchteabhängigkeit von wichtigen Aerosol-optischen Eigenschaften für Saharastaub, marinen Aerosol und einer Mischung aus beiden Komponenten bestimmt werden. Globale Zirkulationsmodelle, die auch eine Berechnung von Strahlungseffekten durch Aerosolpartikel beinhalten, nutzen Aerosol-optische Eigenschaften als Eingabeparameter. Durch zunehmende Komplexitiät zur Beschreibung von Wechselwirkungen in der Atmosphäre, sind einfache Parametrisierungen unabdingbar. Die vorliegende Arbeit liefert daher einen wichtigen Beitrag für die Modellierung von Strahlungseffekten durch Aerosolpartikel und somit zum Verständnis des Strahlungshaushaltes der Erde.

Techn. Universiẗat, Diss., 2006--Darmstadt.