This dissertation deals with the calculation of the mechanical properties, electronic structure, electronic transport, and optical properties of strained carbon nanotubes (CNTs). CNTs are discussed for straintronics as their electronic bands show a strong strain-sensitivity. Further, CNTs are stiff, possess a large rupture strain and they are chemically inert, which make them a suitable material in terms of reliability and functionality for straintronic devices. Therefore, this work aims to explore the potential of strain-dependent CNT devices with regard to their mechanical, electronic, and optical properties from a first-principles point of view. There is no work so far that systematically compares these strain-dependent, physical properties from ab initio calculations, which are suitable for small CNTs only, to tight-binding calculations, which are suitable to model large CNTs. First, the structural and mechanical properties of CNTs are investigated: Structural properties are obtained by geometry optimization of many CNTs using density functional theory (DFT). The mechanical properties of CNTs are calculated in the same way. The resulting stress-strain relations are investigated and their key parameters are systematically displayed with respect to the CNT chirality and radius. The ground state electronic properties are calculated using tight-binding models and DFT. Both methods are compared systematically and it is explored where the tight-binding approximation can be applied in order to obtain meaningful results. On top of the electronic structure, a transport model is used to calculate the current through strained CNTs. The model includes the effect of ballistic conductance, parametrized electron-phonon scattering and the influence of an applied gate voltage. Finally, a computationally efficient model is described, which is able to predict the current through strained CNT transistors and enables to find optimal operation regimes for single-chirality devices and devices containing CNT mixtures. Optical properties of strained CNTs are explored by calculating quasiparticle excitations by the means of the GW approximation and the solution of the Bethe-Salpeter equation for CNT excitons. Due to the numerical effort of these approaches, the data for just one CNT is obtained. Still, it is explored how the above-mentioned many-body properties can be related to the ground state results for this CNT. This finally leads to empirical approaches that approximately describe the many-body results from the ground state properties. It is elucidated how such a model can be generalized to other CNTs in order to describe the strain dependence of their optical transitions. / Diese Dissertation befasst sich mit der Berechnung der mechanischen Eigenschaften, der elektronischen Struktur, der Transport- und der optischen Eigenschaften von verspannten Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotubes, CNTs). CNTs werden für die Straintronik diskutiert, da ihre elektronischen Bänder eine starke Dehnungsempfindlichkeit aufweisen. Weiterhin sind CNTs steif, besitzen eine hohe Zugfestigkeit und sind chemisch inert, weshalb sie in Bezug auf Zuverlässigkeit und Funktionalität ein geeignetes Material für straintronische Bauelemente sind. Ziel dieser Arbeit ist es daher, das Potenzial von dehnungsabhängigen CNT-Bauteilen hinsichtlich ihrer mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften aus der Perspektive von first principles-Methoden zu untersuchen. Es gibt bisher keine Arbeit, in der die Ergebnisse verschiedener Methoden – ab initio-basierte Berechnungen für kleine CNTs und tight-binding Berechnungen, die näherungsweise die elektronische Struktur großer CNTs beschreiben – miteinander systematisch vergleicht. Einführend werden die strukturellen und mechanischen Eigenschaften von CNTs untersucht: Strukturelle Eigenschaften ergeben sich durch Geometrieoptimierung vieler CNTs mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT). Die mechanischen Eigenschaften von CNTs werden in gleicher Weise berechnet. Die daraus resultierenden Spannungs-Dehnungs-Beziehungen werden untersucht und deren relevante Parameter systematisch in Abhängigkeit von CNT-Chiralität und CNT-Radius dargestellt. Die Eigenschaften des CNT-Grundzustands werden unter Verwendung von tight-binding-Modellen und DFT berechnet. Beide Methoden werden systematisch verglichen und es wird untersucht, wo die tight-binding-Näherung angewendet werden kann, um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen. Basierend auf der elektronischen Struktur der CNTs wird ein Transportmodell aufgesetzt, durch das der Strom durch verspannte CNTs berechnet werden kann. Dieses Modell beinhaltet den Einfluss der ballistischen Leitfähigkeit, Elektron-Phonon-Streuung in parametrisierter Form und den Einfluss eines Gates. Damit wird ein numerisch effizientes Modell beschrieben, das in der Lage ist, den Strom durch verspannte CNT-Transistoren vorherzusagen. Auf dessen Basis wird es möglich, optimale Arbeitsbereiche für reine CNT-Bauelemente und Bauelemente mit CNT-Mischungen zu berechnen. Die optischen Eigenschaften verspannter CNTs werden durch die Berechnung von Quasiteilchenanregungen mittels der GW-Approximation und der Lösung der Bethe-Salpeter-Gleichung für CNT-Exzitonen untersucht. Aufgrund des numerischen Aufwandes dieser Ansätze werden diese Daten für nur ein CNT erhalten. Daran wird der Zusammenhang zwischen den oben genannten Vielteilchen-Eigenschaften und den Grundzustandseigenschaften für dieses CNT demonstriert. Daraus ergeben sich empirische Ansätze, die es gestatten, die Vielteilchen-Ergebnisse näherungsweise auf die elektronischen Grundzustandseigenschaften zurückzuführen. Es wird dargestellt, wie ein solches Modell für andere CNTs verallgemeinert werden kann, um die Verspannungsabhängigkeit ihrer optischen Übergänge zu beschreiben.

InGaN-based light emitters are strongly affected by the inhomogeneous broadening induced by random alloy fluctuations. While these effects have been extensively investigated on c-plane (e.g. localization of carriers at low carrier density due to potential fluctuations, delocalization at higher carrier density), much fewer work report on the impact of inhomogeneous broadening on the emission properties of semipolar and nonpolar InGaN quantum wells (QWs). In addition to have a higher electron- and hole-wavefunction overlap and thereby an increased radiative recombination rate thanks to the reduced/suppressed built-in electric field due to polarization discontinuities at heterointerfaces, QWs grown along semipolar/nonpolar crystal orientations have the interesting property to emit polarized light. The characterization and theoretical understanding of their optical polarization properties is the first main focus of this thesis. A correlation between spectral width and degree of linear polarization (DLP) is highlighted through extensive temperature- and excitation-dependent polarization-resolved confocal micro-photoluminescence spectroscopy carried out on planar semi-polar/nonpolar QWs and on the m-plane side facet of core-shell microrods. A theoretical model based on electronic band structure calculated by the kp-envelope function method is developed to explain this correlation by taking inhomogeneous broadening into account. Considering indium content fluctuations and the localization lengths of electrons and holes, different effective broadenings are applied to groups of subbands. It is shown that for high-inclination semipolar and nonpolar InGaN/GaN QWs inhomogeneous broadening leads to a significant increase of the DLP at room temperature. Furthermore, the DLP-drop towards high carrier density due to the transition from the Boltzmann- to the Fermi-regime is smoother and starts at lower carrier density. The model is also used to study the peculiar polarization properties of (202¯1) InGaN/GaN QWs compared to (202¯1¯) QWs: although they have equivalent band structures in the framework of k·p-theory and are therefore expected to have identical optical polarization properties, (202¯1) QWs consistently exhibit a lower DLP than (202¯1¯) QWs. This discrepancy might be related to different effective broadenings of their valence subbands induced by the rougher upper QW interface in (202¯1), by the larger sensitivity of holes to this upper interface due to the polarization field in (202¯1), and/or by the different degrees of localization of holes. Besides being strongly affected by inhomogeneous broadening, InGaN-based LEDs suffer from efficiency droop: their efficiency maximum is already reached at relatively low current density and then significantly drops towards their typical operation conditions. One way to mitigate its effect is to reduce the carrier density inside the active region, which can be achieved via several approaches, e.g. growing the active region on a 3D template, on a semipolar/nonpolar substrate or a relaxed InGaN template. The last two approaches reduce/suppress the built-in polarization field leading to wavefunctions with larger overlap and spread across the active region. In order to check and validate these approaches, a way to measure the carrier density inside the active region is necessary. This complex task, which is the second focus of this work, requires fitting a model of the carrier recombination dynamics to experimental data. Several methods are already available, which are mostly based on the basic ABC-model. The validity of this model is discussed through measurement of efficiency curves on various samples and extended to take into account the background carrier density at low carrier density and band-filling at high carrier density. The DLP drop towards high carrier density is fitted simultaneously with the efficiency curve to improve the robustness of the extraction of recombination coefficients. Nevertheless, without insights from time-resolved experimental data, extracting all recombination coefficients is shown to be very critical leading to ambiguous fitting results. Time-resolved measurements being complex and time-consuming, a new method based on an extended ABC-model and room-temperature bias-dependent photoluminescence spectroscopy is proposed. When investigating semipolar/nonpolar LEDs, this method allows to extract the carrier density within the active region without having to carry out time-resolved measurements, which is demonstrated using polarization-resolved efficiency curves measured on a m-plane LED. Growing the active region on 3D templates to reduce the local carrier density requires eventually experimental techniques with high spatial resolution for its characterization. This work reports the experimental know-how acquired through extensive characterization of single InGaN/GaN core-shell microrods. A thorough description of the confocal microscope and its alignment is given to achieve reproducible and diffraction limited spatial resolution polarization-resolved photoluminescence measurements, which allowed the first local internal quantum efficiency measurement along the side facet of InGaN/GaN core-shell microrods. / InGaN-basierte Lichtquellen sind stark von inhomogener Verbreiterung, die aus zufälligen Legierungsfluktuationen entsteht, beeinflusst. Während diese Effekte ausführlich auf die c-Ebene untersucht wurden (z.B. Ladungsträgerlokalisierung bei niedriger Ladungsträgerdichte auf Grund von Potentialfluktuationen, Delokalisierung bei höherer Ladungsträgerdichte), untersuchen wenige Studien den Einfluss von inhomogener Verbreiterung auf die Emissionseigenschaften von semipolarer und nonpolarer InGaN Quantentrögen. Quantentröge, die entlang semipolaren/nonpolaren Kristallrichtungen gewachsen sind, haben einen höheren Überlapp der Elektron- und Löcherwellenfunktionen und dadurch eine höhere strahlende Rekombinationsrate dank des niedrigen / unterdrückten elektrischen Feldes, das durch Polarizationsdiskontinuitäten an Heteroübergängen entsteht. Diese Quantentröge haben die interessante Eigenschaft, polariziertes Licht auszustrahlen. Die Charakterizierung und das theoretische Verständnis von diesen Polarizationseigenschaften ist der erste Schwerpunkt dieser Dissertation. Umfangreiche temperatur- und anregungsabhängige polarizationsaufgelöste konfokale Mikro-Photolumineszenz Spektroskopie auf planaren semipolaren/nonpolaren Quantentröge und auf die m-Ebene Seitenfacette von Core-Shell Mikrosäulen deuten auf eine Korrelation zwischen der spektralen Breite und dem optischen Polarizationsgrad. Basirend auf elektronischen Bandstrukturen, die mittels der k·p Hüllfunktionsmethode berechnet werden, wird ein theoretisches Modell entwickelt, um diese Korrelation unter Berücksichtigung der inhomogenen Verbreiterung zu erklären. In Anbetracht der Fluktuationen des Indiumgehalts und der Lokalisierungslängen von Elektronen und Löchern, werden unterschiedliche effektive Verbreiterungen auf Gruppen von Subbändern angewendet. Dadurch wird gezeigt, dass bei Raumtemperatur inhomogene Verbreiterung zu einem signifikanten Anstieg des Polarizationsgrads von semipolaren und nonpolaren InGaN/GaN Quantentrögen mit hoher Neigung führt. Darüber hinaus ist der Polarizationsgrad-Abfall bei höheren Ladungsträgerdichten aufgrund des Übergangs vom Boltzmann- zum Fermi-Regime glatter und beginnt bei niedrigerer Ladungsträgerdichte. Das Modell wird auch verwendet, um die besonderen Polarizationseigenschaften von (202¯1) InGaN/GaN Quantentrögen im Vergleich zu (202¯1¯) Quantentrögen zu untersuchen. Durch ihre äquivalenten Bandstrukturen im Rahmen der k·p-Theorie wird erwartet, dass sie ähnliche Polarizationseigenschaften zeigen. (202¯1) Quantentröge haben jedoch durchweg einen niedrigeren Polarizationsgrad als (202¯1¯) Quantentröge. Diese Diskrepanz könnte auf unterschiedliche effektive Verbreiterung ihrer Valenz-Subbänder zurückgeführt werden, die durch die rauere obere Quantentrog-Grenzfläche in (202¯1), durch die größere Empfindlichkeit der Löcher gegenüber dieser oberen Grenzfläche aufgrund des Polarizationsfelds in (202¯1) und /oder durch die unterschiedlichen Lokalisierungsgrade der Löcher induziert werden. InGaN LEDs sind nicht nur stark von inhomogener Verbreiterung beeinflusst, sondern leiden auch unter efficiency droop: Ihr Wirkungsgradmaximum wird bereits bei relativ geringer Stromdichte erreicht und fällt dann deutlich gegenüber ihrer typischen Betriebsbedingungen ab. Eine Möglichkeit, diesen Effekt abzuschwächen, ist, die Ladungsträgerdichte innerhalb des aktiven Bereichs zu verringern, was über verschiedene Ansätze erreicht werden kann. Die aktive Region kann zum Beispiel auf einer 3D-Pufferschicht, auf einem semipolaren/nonpolaren Substrat oder auf einer relaxierten InGaN-Pufferschicht gewachsen werden. Die letzten zwei Ansätze reduzieren/unterdrücken das Polarizationsfeld und führen dadurch zu Wellenfunktionen, die eine grössere Überlappung und Ausbreitung über die aktive Region haben. Damit diese Ansätze überprüft und validiert werden können, ist ein Verfahren erforderlich, um die Ladungsträgerdichte innerhalb der aktiven Region zu bestimmen. Diese komplexe Aufgabe, die den zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit bildet, erfordert die Anpassung eines Modells der Ladungsträgerrekombinationsdynamik an experimentellen Daten. Die meisten Methoden, die bereits zur Verfügung stehen, nutzen das einfache ABC-Modell. Die Gültigkeit dieses Modells wird durch Messung von Effizienzkurven auf verschiedenen Proben diskutiert und erweitert, um die Hintergrungladungsträgerdichte bei niedriger Ladungsträgerdichte und Bandfüllung bei hoher Ladungsträgerdichte zu berücksichtigen. Der Polarizationsgrad-Abfall gegen hohe Ladungsträgerdichten wird gleichzeitig mit der Effizienzkurve angepasst, um das Bestimmen der Rekombinationskoeffizienten zu verbessern. Es ist jedoch sehr kritisch, alle Rekombinationskoeffizienten eindeutig zu bestimmen, ohne zeitaufgelöste experimentelle Daten zu berücksichtigen. Da zeitaufgelöste Messungen komplex und zeitaufwändig sind, wird eine neue Methode vorgeschlagen, die auf Bias-abhängiger Photolumineszenzspektroskopie bei Raumtemperatur und auf einem erweiterten ABC-Modell basiert. Bei der Untersuchung semipolarer/nonpolarer LEDs ermöglicht diese Methode das Bestimmen der Ladungsträgerdichte innerhalb der aktiven Region, ohne zeitaufgelöste Messungen durchführen zu müssen. Dies wird anhand polarizationsaufgelöster Effizienzkurven auf einer m-Ebene LED demonstriert. Das Wachsen der aktiven Region auf 3D-Pufferschichten zur Verringerung der lokalen Ladungsträgerdichte erfordert für ihre Charakterisierung experimentelle Techniken mit hoher räumlicher Auflösung. Diese Arbeit berichtet über das experimentelle Know-how, das durch die Charakterisierung einzelner InGaN/GaN Core-Shell Mikrosäulen erworben wurde. Eine gründliche Beschreibung des konfokalen Mikroskops und seiner Ausrichtung ist gegeben, um reproduzierbare polarizationsaufgelöste Photolumineszenzmessungen mit beugungsbegrenzter räumlicher Auflösung zu erreichen, die die ersten lokalen internen Quanteneffizienzmessungen entlang der Seitenfacette von InGaN/GaN Core-Shell Mikrosäulen ermöglichte. / Les sources lumineuses à base de InGaN sont fortement affectées par l'élargissement inhomogène dû aux fluctuations du taux d'indium. Alors que ces effets ont été étudiés extensivement sur le plan-c (par exemple: localisation des porteurs de charge à basse densité de porteurs dûe aux fluctuations de potentiel, délocalisation à plus haute densité de porteurs), seulement peu de travaux sont consacrés à l'étude de l'impact de l'élargissement inhomogène sur les propriétés d'émission des puits quantiques InGaN semipolaires et nonpolaires. En plus d'avoir un recouvrement plus grand des fonctions d'ondes des électrons et des trous, et par conséquent un taux de recombination radiatif plus élevé grâce à la réduction/suppression du champs électrique interne dû aux discontinuités de polarisation aux hétérointerfaces, les puits quantiques crûs dans les directions semipolaires/nonpolaires ont la propriété intéressante d'émettre de la lumière polarisée. La charactérisation et compréhension théorique de leurs propriétés de polarisation optique est l'un des axes de cette thèse. Une corrélation entre la largeur spectrale et le degré de polarisation linéaire (DLP = angl. degree of linear polarization) est mise en évidence par le biais de spectroscopie de micro-photoluminescence confocale résolue en polarisation en fonction de la température et de l'excitation éffectuée sur des puits quantiques planaires semipolaires et nonpolaires ainsi que sur les facettes latérales plan-m de micro-piliers core-shell. Un model théorique basé sur la structure de bandes électroniques calculée par la méthode k·p des fonctions d'enveloppe est développé pour expliquer cette corrélation en prenant l'élargissement inhomogène en compte. En considérant les fluctuations du taux d'indium et la longueur de localisation des électrons et des trous, des élargissements effectifs différents sont appliqués à des groupes de sous-bandes. Le modèle montre que pour les puits quantiques semipolaires/nonpolaires d'haute inclinaison l'élargissement inhomogène engendre une augmentation significative du DLP à température ambiante. De plus, vers les densités de porteurs plus élevées, la chute du DLP induite par la tansition du régime de Boltzmann au régime de Fermi est plus lente et commence à plus basse densité de porteurs. Le modèle est également utilisé pour étudié les propriétés particulières de polarisation optique des puits quantiques (202¯1) comparés aux puits (202¯1¯). Malgré qu'ils aient des structures de bandes équivalentes dans le cadre de la théorie k·p et devraient ainsi avoir des propriétés de polarisation optique identiques, les puits quantiques (202¯1) ont systématiquement un DLP plus bas que les puits quantiques (202¯1¯). Cette divergence est probablement liée aux élargissements effectifs différents qui s'appliquent à leurs sous-bandes de valence en raison de l'interface supérieure plus rugueuse du puit (202¯1), de la sensibilité des trous à l'interface supérieure du puit (202¯1) à cause du champ électrique interne, et/ou du différent degré de localisation des trous En plus d'être fortement affecté par l'élargissement inhomogène, les LEDs InGaN souffrent d'efficiency droop: leur efficacité maximale est atteinte déjà à une densité de courant relativement basse et baisse ensuite significativement vers leurs conditions d'opération typiques. Un moyen pour mitiger cet effet est de réduire la densité de courant dans la zone active, ce qui peut être atteint via plusieurs approches, notamment en croissant la région active sur un template 3D, sur un substrat semipolaire/nonpolaire ou un template d'InGaN relaxé. Les deux dernière approches diminuent/suppriment le champs électrique interne augmantant ainsi le recouvrement des fonctions d'onde et leur étendue dans la zone active. Afin de vérifier ces approches, une méthode pour déterminer la densité de porteurs dans la zone active est nécessaire. Cette tâche complexe, qui est le second axe de ce travail, requière d'ajuster un modèle de la dynamique de recombinaison des porteurs à des données expérimentales. La plupart des méthodes déjà disponibles se basent sur le simple modèle ABC. La validité de ce modèle est discutée à travers des courbes d'efficacité mesurées sur différents échantillons et étendue pour prendre en compte la densité de porteurs dûe au dopage à basse densité de porteurs ainsi que le remplissage des bandes à haute densité de porteurs. La chute du DLP vers les hautes densités de porteurs est ajustée simultanément à la courbe d'éfficacité pour augmenter la robustesse de la détermination des coefficients de recombinaison. Il est cependant montré que sans prendre en compte des données expériemntales résolues en temps il est très difficile d'extraire tous les coefficients de recombinaison sans ambiguosités. Les mesures résolues en temps étant complexes et longues, une nouvelle méthode basée sur un modèle ABC étendu et de la spectroscopie photoluminescence en fonction du bias à température ambiante est proposée. Lorsqu'elle est appliquée à des LEDs semipolaires/nonpolaires, elle permet d'extraire la densité de porteurs dans la région active sans devoir effectuer des mesures résolues en temps. La méthode est démontrée en utilisant des courbes d'efficacité résolues en polarisation measurées sur une LED plan-m. Croître la région active sur un template 3D afin de diminuer la densité locale de porteurs nécessite au final pour sa characterisation une technique expérimentale ayant une haute résolution spatiale. Ce travail résume le savoir-faire expérimental acquis en characterisant des micro-piliers core-shell InGaN/GaN uniques. Une description détaillée du microscope confocal et de son alignement est donnée pour atteindre des mesures de photoluminescence reproductibles et ayant une résolution limitée par la diffraction, ce qui a permis la première mesure locale d'efficacité interne quantique le long de la facette latérale de micro-piliers core-shell InGaN/GaN.

Vertically rolled-up microcavities are fabricated using differentially strained nanomembranes by employing rate and temperature gradients during electron beam evaporation of SiO2. The geometry of the rolled-up tubes is defined by a photo-lithographically patterned polymer sacrificial layer beneath the SiO2 layers that is dissolved to start the rolling. Rolled-up tubes support resonances formed by constructive interference of light propagating along the circumference. Optical studies are performed in the visible spectral range using a micro-photoluminescence (µPL) setup to excite and detect optical modes. Record high quality factors (Q factors) of 5400 for rolled-up resonators probed in PL-emission mode are found and their limits are theoretically investigated. Axial modes can also be supported when an increased winding number in the center is realized by appropriate pattern designs. In addition, higher order radial modes can be confined when atomic layer deposition (ALD) coatings are applied. Both types of modes are identified using polarization and spatially resolved µPL maps. Evanescent-wave coupling by tapered fibers and tubes on substrates is the second method used to study light confinement and to demonstrate frequency filtering in ALD coated rolled-up microcavities. Scans are performed by monitoring light from a tunable laser in the range of 1520-1570 nm after transmission through the tapered fiber. Dips in the spectrum are found and attributed to fundamental and axial resonant modes. Moreover, by coupling two tapered fibers to a lifted rolled-up microcavity, a four-port add-drop filter is demonstrated as a future component for vertical resonant light transfer in on-chip optical networks. Simulations show that the subwavelength tube wall thickness limits the Q factor at infrared wavelengths and ALD coatings are necessary to enhance the light confinement. After coating, two linear polarization states are found in experiment and fundamental and axial modes can be selectively excited by coupling the fiber to different positions along the tube axis. Spatially and polarization resolved transmission maps reveal a polarization dependent axial mode distribution which is verified theoretically. The results of this thesis are important for lab-on-chip applications where rolled-up microcavities are employed as high resolution optofluidic sensors as well as for future uses as waveguide coupled components in three-dimensional multi-level optical data processing units to provide resonant interlayer signal transfer.

This work is devoted to investigate light confinement in rolled-up microtubular cavities and their optofluidic applications. The microcavities are fabricated by a roll-up mechanism based on releasing pre-strained silicon-oxide nanomembranes. By defining the shape and thickness of the nanomembranes, the geometrical tube structure is well controlled. Micro-photoluminescence spectroscopy at room temperature is employed to study the optical modes and their dependence on the structural characteristics of the microtubes. Finite-difference-time-domain simulations are performed to elucidate the experimental results. In addition, a theoretical model (based on a wave description) is applied to describe the optical modes in the tubular microcavities, supporting quantitatively and qualitatively the experimental findings. Precise spectral tuning of the optical modes is achieved by two post-fabrication methods. One method employs conformal coating of the tube wall with Al2O3 monolayers by atomic-layer-deposition, which permits a mode tuning over a wide spectral range (larger than one free-spectral-range). An average mode tuning to longer wavelengths of 0.11nm/ Al2O3-monolayer is obtained. The other method consists in asymmetric material deposition onto the tube surface. Besides the possibility of mode tuning, this method permits to detect small shape deformations (at the nanometer scale) of an optical microcavity. Controlled confinement of resonant light is demonstrated by using an asymmetric cone-like microtube, which is fabricated by unevenly rolling-up circular-shaped nanomembranes. Localized three-dimensional optical modes are obtained due to an axial confinement mechanism that is defined by the variation of the tube radius and wall windings along the tube axis. Optofluidic functions of the rolled-up microtubes are explored by immersing the tubes or filling their core with a liquid medium. Refractive index sensing of liquids is demonstrated by correlating spectral shift of the optical modes when a liquid interacts with the resonant light of the microtube. In addition, a novel sensing methodology is proposed by monitoring axial mode spacing changes. Lab-on-a-chip methods are employed to fabricate an optofluidic chip device, allowing a high degree of liquid handling. A maximum sensitivity of 880 nm/refractive-index-unit is achieved. The developed optofluidic sensors show high potential for lab-on-a-chip applications, such as real-time bio/chemical analytic systems.

Vor dem Hintergrund einer messdatengetriebenen Instandhaltung und Prozessoptimierung gewinnen Konzepte wie Condition Monitoring zunehmend an Bedeutung. Zur schnellen inline-Bewertung insbesondere zerspanender Fertigungsverfahren ist dazu die Messung mechanischer Schwingungen erforderlich. Berührungslose optische Sensorik spielt aufgrund hoher Auflösungen und Abtastraten eine wachsende Rolle. In diesem Gebiet positioniert sich die vorliegende Arbeit und leistet einen Beitrag für die alternative Schwingungssensorik. Für den Anwendungsfall eines zu überwachenden Längsdrehprozesses wird die astigmatische Fokusdetektion als einfaches Messverfahren sowie als Ergänzung zum bestehenden Technikstand identifiziert. Die Eignung dieses in optischen Leseköpfen (Pickup-Einheiten) verwendeten Verfahrens kann durch eine multikriterielle Bewertung anhand der Literatur beurteilt werden. Simulationen sowie der Realaufbau eines prototypischen auf DVD-Pickup-Einheiten basierenden Vibrations-Messsystems lassen Erkenntnisse über die Skalierbarkeit und Handhabung des Ansatzes zu. Im Rahmen eines Feldtests des Pickup Messsystems werden Werkzeugschwingungen in einem Längsdrehprozess inline erfasst. Im Ergebnis lassen sich die entsprechenden Amplituden-Frequenz-Spektren des Messsignals mit nachträglichen Profilmessungen des Werkstücks vergleichen. Der vorgestellte Ansatz kann während der Bearbeitung einen Rückschluss auf die Werkstück-Welligkeit ermöglichen.

The lateral eyes of the horseshoe crab, Limulus polyphemus, are the largest compound eyes within recent Arthropoda. The cornea of these eyes contains hundreds of inward projecting elongated cuticular cones and concentrate light onto proximal photoreceptor cells. Although this visual system has been extensively studied before, the precise mechanism allowing vision has remained controversial. Correlating high-resolution quantitative refractive index (RI) mapping and structural analysis, it is demonstrated how gradients of RI in the cornea stem from structural and compositional gradients in the cornea. In particular, these RI variations result from the chitin-protein fibers architecture, heterogeneity in protein composition, and bromine doping, as well as spatial variation in water content resulting from matrix cross-linking on the one hand and cuticle porosity on the other hand. Combining the realistic cornea structure and measured RI gradients with full-wave optical modeling and ray tracing, it is revealed that the light collection mechanism switches from refraction-based graded index (GRIN) optics at normal light incidence to combined GRIN and total internal reflection mechanism at high incident angles. The optical properties of the cornea are governed by different mechanisms at different hierarchical levels, demonstrating the remarkable versatility of arthropod cuticle.

Trotz der im Vergleich zu Silizium überragenden elektronischen Eigenschaften von Verbindungshalbleitern, ist die Leistung der daraus gefertigten elektrischen Bauelemente aufgrund der vorhandenen, die elektronischen Materialeigenschaften beeinflussenden Defekte nach wie vor begrenzt. Die vorliegende Arbeit trägt dazu bei, das bestehende ökonomische Interesse an einem besseren Verständnis der die Bauelementeleistung limitierenden Defekte zu befriedigen, indem sie die Auswirkungen dieser Defekte auf die elektronischen und optischen Materialeigenschaften von Indiumphosphid (InP) und Siliziumkarbid (SiC) aufzeigt. Zur Klärung der Effekte finden in der Arbeit sich ergänzende elektrische und optische Charakterisierungsmethoden Anwendung, von denen die meisten kontaktlos und zerstörungsfrei arbeiten und sich daher prinzipiell auch für Routineanalysen eignen. Die erzielten Ergebnisse bestätigen und ergänzen Literaturdaten zum Defektinventar in InP und SiC nutzbringend. So wird insbesondere das Potential der elektrischen Charakterisierung mittels MDP und MD-PICTS, welche in der Arbeit erstmals für die Defektcharakterisierung von InP und SiC eingesetzt wurden, nachgewiesen. Die experimentellen Studien werden dabei bedarfsorientiert durch eine theoretische Betrachtung des entsprechenden Signalentstehungsmechanismuses ergänzt. / Although the electronic properties of compound semiconductors exceed those of Silicon, the performance of respective electronic devices still is limited. This is due to the presence of various growth-induced defects in compound semiconductors. In order to satisfy the economic demand of an improved insight into limiting defects this thesis contributes to a better understanding of material inherent defects in commonly used Indium Phosphide (InP) and Silicon Carbide (SiC) by revealing their effects on electronic and optical material properties. On that account various complementary electrical and optical characterization techniques have been applied to both materials. Most of these techniques are non-contacting and non-destructive. So, in principle they are qualified for routine application. Characterization results that are obtained with these techniques are shown to either confirm published results concerning defects in InP and SiC or beneficially complement them. Thus, in particular the potential of electrical characterization by MDP and MD-PICTS measurements is proofed. Both techniques have been applied for the first time for defect characterization of InP and SiC during these studies. The respective experiments are complemented by a theoretical consideration of the corresponding signal development mechanism in order to develop an explanation approach for occasionally occurring experimental imperfection also arising during silicon characterization from time to time.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit dem RF- überlagerten DC-Sputtern von Indiumzinnoxid und aluminiumdotierten Zinkoxid. Bei dem dafür entwickelten synchron gepulsten RF/DC-Verfahren werden die zu untersuchenden Materialien gleichzeitig mit Hilfe eines RF- und eines PulsDC-Generators gesputtert. Ein wesentliches Resultat der Untersuchungen ist, dass durch RF- überlagertes DCSputtern Schichten abgeschieden werden können, die im Vergleich zum DC- bzw. PulsDC-Sputtern geringere spezifische Widerstände aufweisen. Dies ist auf eine Verringerung von Defekten in den abgeschiedenen Schichten zurückzuführen. Es konnte anhand der Untersuchungen gezeigt werden, dass fur die Abscheidung von Indiumzinnoxid und aluminiumdotiertem Zinkoxid die Substrattemperatur beim RF überlagerten DC-Sputtern gegenüber dem DC-Sputtern um bis zu 100°C verringert werden kann.

The electrical properties, in particular the U–I characteristics, current and voltage signal shapes within the pulse, are important parameters for the understanding of the processes taking place in the pulsed glow discharge (PGD). The electrical properties are also closely related to the analytical performance of the PGD such as sputtering rates, crater shapes and emission yields. Moreover, the dependence of the U–I plots on the density of the discharge gas can be used to estimate the gas temperature. This result is relevant for the analysis of thermally fragile samples. Nevertheless, there is a lack of PGD studies where the current and voltage signals are considered in detail. Therefore, this article is dedicated to the electrical properties of PGD. The influence of the PGD parameters (duty cycle and pulse duration) on the electrical properties is examined. The results highlight the optimum parameters for particular analytical applications. The question, whether direct current (dc) and radio frequency (rf) discharges behave similarly is also discussed and all experiments are performed for both modes. The comparative studies reveal strong similarities between dc and rf pulsed discharges. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die vorliegende Forschungsarbeit widmet sich der Entwicklung und Untersuchung neuartiger photonischer Kristallstrukuren für Anwendungen in den Gebieten der Nanophotonik und Optofluidik. Dabei konzentriert sich eine erste Serie von Experimenten auf die Charakterisierung und Optimierung photonischer Kristallresonatoren im sichtbaren Spektralbereich, wobei bisher unerreichte Resonatorgüten von bis zu 3400 gezeigt werden können. Diese Strukturen werden anschließend als Plattformen zur Herstellung von hybriden nanophotonischen Bauelementen verwendet, indem externe Partikel (wie z.B. Diamant-Nanokristalle und Metall-Nanopartikel) in kontrollierter Art und Weise an die Resonatoren gekoppelt werden. Zu diesem Zweck wird eine Nanomanipulationsmethode entwickelt, welche Rastersonden zur gezielten Positionierung und Anordnung von Partikeln auf den photonischen Kristallstrukturen benutzt. Verschiedene Arten solcher Hybridelemente werden realisiert und untersucht, einschließlich diamant-gekoppelter Resonatoren, plasmon-gekoppelter Resonatoren und Metall-Diamant Hybridstrukturen. Außer für Anwendungen auf dem Gebiet der Nanophotonik werden verschiedene photonische Kristallstrukturen auch hinsichtlich ihres Leistungsvermögens als biochemische Sensorelemente erforscht. Zum ersten Mal wird eine umfassende numerische Analyse der optischen Kräfte auf Objekte im Nahfeld photonischer Kristallresonatoren durchgeführt, welche neue Möglichkeiten zum Einfang sowie zur Detektion und Untersuchung biologischer Partikel in integrierten optofluidischen Bauteilen bieten. Weiterhin werden unterschiedliche photonische Kristallfasern bezüglich ihrer Detektionssensitivität in Absorptions- und Fluoreszenzmessungen untersucht, wobei sich eine klare Überlegenheit von selektiv befüllten Hohlkern-Designs im Vergleich zu Festkern-Fasern offenbart. / This thesis deals with the development and investigation of novel photonic crystal structures for applications in nanophotonics and optofluidics. Thereby, a first series of experiments focuses on the characterization and optimization of photonic crystal cavities in the visible wavelength range, demonstrating unprecedented cavity quality factors of up to 3400. These structures are subsequently employed as platforms for the creation of advanced hybrid nanophotonic elements by coupling external particles (such as diamond nanocrystals and metal nanoparticles) to the cavities in a well-controlled manner. For this purpose, a nanomanipulation method is developed, utilizing scanning probes for the deterministic positioning and assembly of particles on the photonic crystal structures. Various types of such hybrid elements are realized and investigated, including diamond-coupled cavities, plasmon-coupled cavities, and metal-diamond hybrid structures. Apart from applications in nanophotonics, different types of photonic crystal structures are also studied with regard to their performance as biochemical sensing elements. For the first time a thorough numerical analysis of the optical forces exerted on objects in the near-field of photonic crystal cavities is conducted, providing novel means to trap, detect, and investigate biological particles in integrated optofluidic devices. Furthermore, various types of photonic crystal fibers are studied with regard to their detection sensitivity in absorption and fluorescence measurements, revealing a clear superiority of selectively infiltrated hollow-core designs in comparison to solid-core fibers.