Diese Arbeit befasst sich mit den optischen Eigenschaften von dünnen GaN-Schichten gewachsen in verschiedenen Orientierungen. Hierbei werden die optischen Eigenschaften von verspannten M- und A-plane sowie unverspannten C-plane GaN-Schichten untersucht und die Ergebnisse im Rahmen von Bandstrukturberechnungen diskutiert. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Bandstrukturverschiebungen theoretisch mittels eines k.p-Näherungsansatzes untersucht. Diese Bandverschiebungen beeinflussen sowohl die Übergangsenergien als auch die Oszillatorstärken. Man findet, dass die C-plane Schicht im Falle einer isotropen Verspannung in der Filmebene keine Anisotropie der optischen Polarisation zeigt. In beiden Fällen zeigen die drei Übergänge von den drei oberen Valenzbändern in das untere Leitungsband andere Polarisationseigenschaften als die entsprechenden Übergänge in C-plane GaN-Schichten. Es wird beobachtet, dass für einen bestimmten Wertebereich der Verspannung in der Filmebene diese Übergänge nahezu vollständig x-,z- bzw. y-artig polarisiert sind. Die verwendeten Schichten wurden auch mittels Transmissionspektroskopie untersucht. Im Falle der M-plane GaN-Schichten können zwei fundamentale Übergänge identifiziert werden, wobei der elektrische Feldvektor E des einfallenden Lichtes einmal parallel (z-Polarisation) und einmal senkrecht (x-Polarisation) auf der c-Achse steht. Die M-plane GaN-Schicht besitzt unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten für z-Polarisation und x-Polarisation, welche zu zusätzlichem Dichroismus und Doppelbrechung führen. Als Resultat findet eine Filterung der Polarisation für einfallendes, linear polarisiertes Licht statt. Die elektrische Feldkomponente mit x-Polarisation wird stärker absorbiert als die Komponente mit z-Polarisation. Diese Polarisationsfilterung äußert sich für schmalbandiges Licht in Form einer Drehung der Polarisationsebene in Richtung der c-Achse, wobei ein maximaler Rotationswinkel von 40 Grad gefunden wurde. / In this work, we focus on the optical response of GaN thin films grown along various orientations. The optical properties of strained M- and A- and unstrained C-plane GaN thin films are investigated, and the results are explained with help of band-structure calculations. We calculate the strain-induced band-structure modification using the k.p perturbation approach. The valence-band (VB) states are modified affecting both the transition energies as well as the oscillator strengths. We observe that C-plane GaN does not show any in-plane polarization anisotropy, when an isotropic in-plane strain is applied. For the case of M- and A-plane GaN, one expects to see an in-plane polarization anisotropy even for the unstrained case. Additionally, the in-plane strain significantly changes the band structure and the symmetry of the VB states. The three transitions, involving electrons in the conduction band (CB) and holes in the top three VBs, will exhibit a very different polarization characteristic than the ones for C-plane GaN. These transitions are predominantly x, z, and y polarized, respectively, for a certain range of in-plane strain values, present in our samples. For M-plane GaN thin films, two fundamental transitions can be identified, which occur when the electric field vector E is perpendicular (x-polarization) and parallel c (z-polarization). These transitions give rise to a transmittance spectrum separated by 50 meV at room temperature with respect to each other. This result in a polarization filtering of an incident linearly polarized light beam after transmission, because the electric field component with x-polarization is more strongly absorbed than with z-polarization. This filtering manifests as a rotation of the polarization vector toward the c axis and can be as large as 40 degrees for an initial angle of 60 degrees, for our samples.

Die Dissertation beinhaltet Untersuchungen mittels optischer Rasternahfeldmikroskopie (SNOM)an epitaktisch gewachsenen Halbleiter-Nanostrukturen des Materialsystems GaAs/(Al,Ga)As, sowie Untersuchungen mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM/MFM) an ferromagnetischen MnAs-Schichten auf GaAs. Der erste Teil der Arbeit widmet sich dem Aufbau und der Wirkungsweise eines neuen SNOM fürden Einsatz bei tiefen Temperaturen. Das Auflösungsvermögen des Mikroskopswird einmal in Hinblick auf die topographische Empfindlichkeit des Scanners in Richtung der Oberflächennormale, andererseits optisch-lateral charakterisiert. Es wird gezeigt, welche Möglichkeiten der Einsatz geätzter, unbedampfter Nahfeldsonden bietet. Im zweiten Teil werden nahfeld-optische Untersuchungen an GaAs-Quantenfilmen und GaAs-Quantendrähten vorgestellt. Die Grenzflächeneigenschaften der Quantenfilmstrukturen wurden per Wachstumsunterbrechung dahingehend beeinflusst, dass inselartige Gebiete konstanter Quantenfilmdicke entstehen, deren lateraler Durchmesser einige hundert Nanometer beträgt. Durch Photolumineszenzspektroskopie im SNOM kann die räumliche Verteilung der Inseln detektiert werden. Die optischen Nahfeldbilder geben einen interessanten Einblick in die Grenzflächenmorphologie des Quantenfilms und ermöglichen so Rückschlüsse auf die Wachstumsprozesse. Quantendrähte aus GaAs wurden in die intrinsische Zone einer p-i-n-Struktur eingebaut. Durch räumlich aufgelöste sowie energie-selektive Anregung von Photoströmen mittels SNOMkann das Verhalten von zusätzlich in der Struktur erzeugten Ladungsträgern auf den Gesamtstromfluss untersucht werden. Die Ergebnisse liefern ein verbessertes Verständnis über denProzess der selektiven Elektrolumineszenz, durch den diese Strukturen gekennzeichnet sind. Im letzten Teil werden strukturelle Untersuchungen an MnAs-Schichten vorgestellt, die auf GaAs(001) gewachsen wurden. Epitaktisch gewachsene MnAs-Schichten auf GaAs(001) zeigen eine Phasenkoexistenzvon ferromagnetischem und paramagnetischem MnAs unterhalb der Curie-Temperatur. Auf Grund dieser Besonderheit kommt es zur Ausbildung von periodischen elastischen Domänen in der Schicht. Die Entwicklung solcher Domänen wird mittels temperaturabhängiger Rasterkraftmikroskopiedirekt beobachtet. / In this thesis, investigations on both epitactically grown GaAs/(Al,Ga)As semiconductor nanostructures using near-field scanning optical microscopy (SNOM) as well as ferromagnetic MnAs films on GaAs using scanning force microscopy are presented.Setup, operation modes, and properties of a new SNOM designed for low-temperature experiments are discussed. In terms of resolution, both topographical sensitivity of the scanner and optical limitsare distinguished. Surprisingly, the use of uncoated optical fibre tips enables sufficient optical resolution, while the transmission increases dramtically compared to conventional SNOM probes. Using the SNOM setup, near-field optical experiments on GaAs quantum wells and GaAs quantum wiresare made. The interface properties of the quantum well structures had been influenced during growth by interrupting the growth process. Thus, island-like areas with constant well thickness are prepared, whose lateraldiameter is in the order of a few hundred nanometers.Near-field optical photoluminescence spectroscopy can detect the spatial distribution of the islands.The near-field optical images provide interesting insight into the interface morphology and henceabout the growth process itself. GaAs sidewall quantum wires had been grown such that they are built in the center of the intrinsic layer of a p-i-n LED structure.Applying the SNOM, spatially refined photocurrents are induced in the structure. The initial localisation of photogeneratedcharge carriers can also be chosen by varying the excitation energy.This enables a detailed study of how additionally generated carriers contribute to the photocurrent signal,the outcome of which provides deeper understanding in the process of a selective electroluminescenceof the structure. In the last part, structural investigations on MnAs film are discussed, which had been grown on GaAS(001) substrates.These films exhibit a phase coexistense of ferromagnetic and paramagnetic MnAs below the Curie temperature. As a result, periodic elastic domains of the coexisting phases are formed. The development of such domains is studied using temperature-dependent (magnetic) scanning force microscopy.The structural effects are discussed in connection with a theoretical model.

Zur vollständigen Beschreibung eines monochromatischen Wellenfeldes ist die Kenntnis über die Amplituden- und Phasenverteilung unabdingbar. Während sich die messtechnische Erfassung der Amplitudenverteilung durch lichtempfindliche Sensoren recht einfach realisieren lässt, gestaltet sich die Bestimmung der Phasenverteilung weitaus schwieriger. Die Phasenverteilung eines optischen Wellenfeldes kann nur über indirekte Verfahren gewonnen werden. Es ergibt sich ein sogenanntes phase retrieval Problem. Zur Lösung dieses Problems bieten sich verschiedene Verfahren aus dem Bereich der berührungslosen und zerstörungsfreien optische Messtechnik an. In dieser Arbeit wird ein deterministisches Verfahren zur Phasenrekonstruktion mit Hilfe Greenscher Funktionen vorgestellt. Die erste Greensche Identität dient als Grundlage zur Entwicklung einer Gleichung, welche in der Lage ist, bei der Rekonstruktion einer Phasenverteilung spezifische Randbedingungen zu berücksichtigen. Dies ermöglicht unter anderem eine genaue Charakterisierung von Phasenobjekten bzw. ihren optischen Eigenschaften, wie beispielsweise der Brechzahlverteilung. Das vorgestellte Verfahren zur Phasenrekonstruktion basiert einerseits auf schnellen Algorithmen, welche die Leistung von parallelen Prozessoren ausnutzen und andererseits auf geschickten experimentellen Aufbauten, mit welchen die notwendigen Eingangsdaten zur Lösung der Gleichung simultan gewonnen werden können. Es ergibt sich damit die Möglichkeit, die Amplituden- und Phasenverteilung eines Wellenfeldes in Echtzeit zu bestimmen und daraus folgend ein Mittel zur quantitativen Bewertungen und Analyse von dynamischen Prozessen sowohl in der Industrie als auch im Bereich der Life Sciences. / In order to describe a monochromatic wave field entirely, knowledge about the amplitude and phase distribution is elementary. While it is easy to measure the amplitude distribution of an optical wave field by the use of photosensitive detectors, the determination of the phase distribution is by far more difficult. Due to the fact, that the phase distribution can not be measured directly, a problem of phase retrieval is presented. This problem may be solved by applying a non-contacting and non-destructive optical metrology technique. In this thesis a deterministic method for phase retrieval based on Green''s functions will be introduced. Green''s first identity serves as a starting point to derive an equation for phase retrieval considering different boundary conditions. Among others, this allows an exact characterization of phase objects, or their optical properties, as for example the refractive index distribution. On the one hand, the presented phase retrieval technique is based on fast algorithms which take advantage of the performance of parallel processors. On the other hand, skilful experimental setups allow the simultaneous acquisition of the input data, which are necessary to solve the phase retrieval equation. It follows that the presented technique is able to determine the amplitude and phase distribution of a wave field in real-time. Hence this technique enables the quantitative evaluation and analysis of dynamic processes in industry as well as in the area of life sciences.

Methoden der optischen Spektroskopie gestatten es, über die Licht-Materie-Wechselwirkung Aussagen über verschiedene Materialsysteme zu treffen. Im Zuge dieser Arbeit wurde das Potential von stationären und transienten optischen Methoden– u.a. der Nahfeldmikroskopie– zur qualitativen und quantitativen Analyse prototypischer Materialsysteme genutzt. Die Kombination von aufeinander abgestimmten organischen und anorganischen Materialien führt auf so genannte Hybridsysteme. Die Vielzahl verschiedener Halbleiter- und Molekülsysteme lässt eine Vielzahl möglicher Hybride zu. Diarylethene (DTE) bilden eine Klasse photochromer molekularer Systeme. In der Arbeit wird der Frage nach den fundamentalen optischen Eigenschaften und dem Schaltverhalten des hier vorliegenden prototypischen DTE nachgegangen. Die zweite untersuchte Klasse von Systemen sind Hybride, welche aus dem anorganischen Halbleiter Zinkoxid (ZnO) und einer molekularen Bedeckung bestehen. Bei den Untersuchungen dieser Hybride wurde der Frage nach den optisch induzierten physikalischen Prozessen an bzw. in der Grenzschicht zwischen der molekularen Bedeckung und dem anorganischen Halbleiter nachgegangen. Im Speziellen wurde ein exzitonischer Oberflächenzustand (SX) beobachtet. Die Anwendung zeitaufgelöster Tieftemperaturnahfeldmikroskopie deckt die Transporteigenschaften der SX entlang der Oberfläche auf. Weiterhin wurden prototypische Laserdioden auf der Basis des Halbleiters Galliumnitrid (GaN) untersucht. Der Unterschied zwischen den hier untersuchten GaN-Bauelementen liegt in der Materialzusammensetzung der in die Bauelemente integrierten Wellenleiter. Eine Optimierung der Wellenleiter kann zu einer Steigerung der Effizienz der Bauelemente führen. Die Analyse der Bauelemente erfolgte mit Methoden der Nahfeldmikroskopie. Die Experimente decken Unterschiede in der Struktur der Bauelemente auf und erlauben Messungen der in den Wellenleitern geführten Lasermoden. / Methods of optical spectroscopy allow for the investigation of diverse material systems via the interaction between light and matter. Stationary and transient methods of optical spectroscopy were exploited– particularly near-field scanning optical microscopy– for qualitative and quantitative analyses of prototypical material systems. The combination of organic and inorganic materials which are adapted to each other yields a so-called hybrid system. The wide range of different semiconductor materials and molecular systems available results in a multitude of hybrid systems. Diarylethenes (DTE) form one class of photoswitchable molecular systems. This work focuses on the fundamental optical properties and the photochromic switching behavior of a prototypical DTE species. The second class of investigated prototypical sample systems consists of the inorganic semiconductor zinc oxide (ZnO) covered with molecular monolayers. The studies performed on this sample system focus on optically-induced physical processes localized at the interface between the inorganic semiconductor and the organic adlayer. In particular, a surface-excitonic state (SX) was investigated. The application of time-resolved low-temperature near-field scanning optical microscopy enables the monitoring of lateral SX transport along the organic-inorganic interface. The third prototypical sample class considered consists of two gallium nitride (GaN) diode lasers. The difference between the two investigated prototypical diode lasers is the different material composition of the waveguides integrated within the lasers. An optimization of the waveguide material composition may be used to increase the laser efficiency. Near-field scanning optical microscopy was used to analyze the two different diode lasers. The experiments show the structural differences between the distinct laser architectures and revealed the mode profiles of the waveguides within the diode lasers.

Die Kopplung von akustischer Levitation mit optischer Spektroskopie ermöglicht die Untersuchung von Reaktionen und intermolekularen Wechselwirkungen unter besonderen Bedingungen. Mit akustischer Levitation können Proben im µL-Bereich kontaktfrei gehaltert und Verunreinigungen durch Oberflächenkontaminationen ausgeschlossen werden. Durch die Verwendung verschiedener Methoden der optischen Spektroskopie wie Raman-Streuung, UV/Vis-Absorptions- und Fluoreszenz-Spektroskopie konnten die levitierten Proben untersucht werden. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass die Ultraschallfalle aufgrund der Wandlosigkeit sowie des Kontakts der levitierten Probe mit der Atmosphäre und der daraus resultierenden möglichen Aufkonzentrierung eine interessante Möglichkeit zur Probenhandhabung in der Mikrofluidik darstellt. Anhand zweier sonochemischer Reaktionen wurde mit Absorptionsspektroskopie gezeigt, dass das Ultraschallfeld des Levitators nur einen sehr geringen Einfluss auf die levitierte Probe ausübt. Mittels Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie wurde die durch die Verdampfung induzierte Aggregation eines Farbstoffes untersucht. Zudem wurde die relative Quantenausbeute des Farbstoffes im levitierten Tropfen bestimmt. Der Kontakt des levitierten Tropfens mit der umgebenden Atmosphäre kann auch zur Aufnahme von Substanzen aus der Atmosphäre führen. Dieser Effekt wurde anhand von levitierten ionischen Flüssigkeiten volumetrisch und schwingungsspektroskopisch bei verschiedenen Luftfeuchten untersucht und die Wechselwirkungen mit dem absorbierten Wasser detailliert charakterisiert. Die Kopplung und simultane Messung von Raman-Streuung und UV/Vis-Spektroskopie ermöglichte die Untersuchung der Bildung und Aggregation von Silber-Nanopartikeln und deren Auswirkungen auf die oberflächenverstärkte Raman-Streuung. Zudem wurde die Stabilisierung von Silber-Nanopartikeln in ionischen Flüssigkeiten und die Wechselwirkungen der Partikel mit den ionischen Flüssigkeiten untersucht. / Acoustic levitation in combination with optical spectroscopy allows for investigations of reactions and intermolecular interactions under specific conditions. Samples with microliter volumes can be handled without contact to solid surfaces resulting in the absence of impurities from surface contamination. Using different optical spectroscopy methods such as Raman, UV/vis, and fluorescence spectroscopy, different levitated samples were characterized in detail within this work. The investigations show that the acoustic levitator is an interesting tool for sample handling due to the wall-less fixture and because of the interaction of the levitated sample with the surrounding atmosphere. This interaction leads to an increase of a solved analyte upon the evaporation of the solvent. The ultrasonic field inside the trap was characterized by investigations of sonochemical reactions, which show a negligible influence of the ultrasonic field on the levitated sample. Absorption as well as fluorescence spectroscopy was used to study the aggregation of a dye due to an increasing concentration upon evaporation of the solvent. Furthermore, the relative quantum efficiency of the dye was determined from levitated droplet experiments. The interaction of the levitated droplet with the surrounding atmosphere can also lead to absorption of airborne substances. This effect was investigated for different levitated ionic liquids. Volumetric and vibrational studies were performed on levitated ionic liquids under different atmospheric humidity conditions to characterize the interaction of ionic liquids with water. Hyphenation of Raman scattering and UV/vis absorption spectroscopy enabled the investigation of the formation and aggregation of silver nanoparticles and the correlation of this information with the recorded surface-enhanced Raman spectra. In addition, the stability of silver nanoparticles in ionic liquids and the interactions of the particles with the ionic liquids were examined.

Es wurden die Transportphänomene magnetisierter Plasmen in der Umgebung materieller Limiter am linearen Plasmagenerator PSI-2 unter Verwendung von elektrischen und optischen Diagnostiken untersucht. Der Senkrechtdiffusionskoeffizient wurde mit D= 5 m^2/s und einer 1/B-Abhängigkeit bestimmt. Der dominierende Prozess des Radialtransportes ist turbulenter Natur. Unter Berücksichtigung der Volumenionisation kann das radiale Dichteprofil konsistent beschrieben werden. Der Schaft einer Langmuirsonde reduziert in einem magnetisierten Plasma die Elektronendichte. Dieses wurde mit zwei Sonden untersucht. Es wird eine globale Teilchenbilanz vorgestellt, die diese Reduktion beschreibt. Bringt man einen Limiter in ein strömendes magnetisiertes Plasma ein, so bildet sich hinter diesem ein Schatten aus. Vor dem Limiter zeigt sich für einige Plasmaregime ein inverser Schatten. Beide sind durch die starke Abhängigkeit der Emissivität von der Elektronentemperatur zu erklären. Ortsaufgelöste Messungen mit Langmuirsonden und optischer Spektroskopie bestätigen dieses experimentell und zeigen kurze Skalenlängen der Dichte für den Abfall vor und den Anstieg hinter einem Limiter. Die Längen zeigen keine klare Skalierung mit dem Ionengyrationsradius. Es werden ortsaufgelöste Messungen der Plasmaparameter mit einer Langmuirsonde vor einem Limiter unter schrägem Einfall vorgestellt. In Wasserstoffplasmen lässt sich der Dichteverlauf mit dem Modell von Chodura [Cho:82] gut beschreiben. In einer stationären Bogenentladung sind Fluktuationen in der Entladungsspannung zu finden. Diese Fluktuationen erzeugen suprathermische Elektronen, die von Limitern geblockt werden. Durch das Einbringen von Limitern werden turbulente räumliche Strukturen erzeugt, die in das Schattengebiet eindringen. Diese sind sowohl optisch mit Photomultipliern als auch als Fluktuation des Ionensättigungsstromes einer Langmuirsonde nachweisbar. Die Strukturen können den Quertransport in den Plasmaschatten verstärken. / The transport phenomena of magnetized plasmas in the vicinity of a material limiter have been investigated. The investigations were carried out at the linear plasma generator PSI-2 with electrical and optical diagnostics. The perpendicular diffusion coefficient was determined as D= 5 m^2/s with a magnetic field dependence of 1/B. The dominant process of the radial transport is therefore anomalous. By consideration of volume ionization the radial density profile can be consistently described. The shaft of a Langmuir probe acts as a particle sink and reduces electron density. This was investigated using two probes. The reduction can be explained in terms of a global particle model. On immersing a limiter into a streaming, magnetized plasma a distinct shadow region is observed downstream of the target. In addition, for some plasma conditions the region upstream of the target forms an inverse shadow. Both observations can be explained by the strong dependence of the emissivity on electron temperature. This is confirmed experimentally by Langmuir probes and optical spectroscopy. Spatially resolved measurements reveal short scale lengths for a decrease of density in front of and an increase behind a limiter. These lengths do not clearly scale with the ion gyroradius. Spatially resolved Langmuir probe measurements taken in front of a limiter at oblique incidence are presented. For hydrogen plasmas the model of Chodura [Cho:82] describes the density profile quite well. In a stationary arc discharge fluctuations in the discharge voltage are found. The fluctuations produce suprathermal electrons. These electrons are blocked by limiters. A limited plasma produces turbulent spatial structures which penetrate into the shadow region. These structures can be detected with photomultipliers and also as a fluctuation in the ion saturation current of a Langmuir probe. They can enhance perpendicular transport into the plasma shadow.

This work presents a joint theoretical and experimental investigation of the electronic structure of quasi one-dimensional cuprates and vanadates. Electron energy-loss spectroscopy in transmission was employed to measure the momentum-dependent loss function of Li2CuO2, CuGeO3, V2O5 and NaV2O5. The comparison between the experimental data and the results from bandstructure as well as cluster calculations allows an explanation of the mobility and correlations of the electrons in these systems. The investigation of the electronic structure of the structurally related cuprates Li2CuO2 and CuGeO3 is exemplary for the study of the transition from a quasi zero-dimensional to a quasi one-dimensional system. In contrast to Li2CuO2 where the electron transitions are strongly localized, the excited states in CuGeO3 can be assigned to the electron hopping to the nearest-neighboured CuO4 plaquettes. The shift of spectral weight from the high energy to the low energy region with increasing coupling between the plaquettes, observed in edge-sharing CuO2 chains, is confirmed by the applied cluster modell. The momentum dependent loss functions of NaV2O5 deliver information about the mobility and correlations of electrons in a quarter-filled ladder system which determine the transition from the charge ordered state into the unordered state at 34 K. Thcontributions of the 3d electrons to the EELS spectra of NaV2O5 are filtered by comparing these spectra with the loss functions of the structurally related V2O5 (d0 configuration). For NaV2O5 the picture of linear chains of V-O-V rungs containing a single d electron in a molecular orbital-like state is confirmed. The comparison of the experimentally determined optical conductivities and those derived from the bandstructrure calculations yield a good agreement upon adoption of an on-site Coulomb interaction U = 2-3 eV. In contrast to the strongly anisotropic hopping within the ladder plane the intersite Coulomb interactions V are about the same size. These interactions are the driving force for the transition from an unordered state at room temperature into a zigzag ordered state observed at low temperatures. / In einer Kombination aus experimentellen und theoretischen Methoden wurden in dieser Arbeit die Elektronenstrukturen von quasi-eindimensionalen Kupraten und Vanadaten untersucht. Dazu wurde die impulsabhängige Verlustfunktion mit Hilfe der Elektronen-Energieverlustspektroskopie in Transmission an Einkristallen von Li2CuO2, CuGeO3, V2O5 und NaV2O5 gemessen. Der Vergleich der experimentellen Daten mit Ergebnissen aus Bandstruktur- und Cluster-Rechnungen erlaubte Rückschlüsse auf die Beweglichkeit und Korrelationen der Elektronen in diesen Systemen. Die Untersuchung der elektronischen Anregungen in den strukturell sehr ähnlichen Kupraten Li2CuO2 und CuGeO3 ist beispielhaft für das Studium des Übergangs von einem quasi-nulldimensionalen zu einem quasi-eindimensionalen System. In Li2CuO2 finden die elektronischen Übergänge vorwiegend lokal auf der CuO4-Plakette statt. Dagegen findet man in CuGeO3 angeregte Zustände, die als das Hüpfen der Elektronen auf benachbarte Plaketten interpretiert werden können. Das angewandte Cluster-Modell bestätigt für eine zunehmende Kopplung zwischen den Plaketten die in eckenverbundenen Kupratketten beobachtete Verschiebung des spektralen Gewichts vom hoch- zum niederenergetischen Bereich. Die Verlustfunktionen von NaV2O5 liefern wertvolle Informationen über die Freiheitsgrade und Korrelationen der Elektronen in einem viertelgefüllten Leitersystem, die wesentlich den Phasenübergang zwischen geordneter und ungeordneter Ladung bei 34 K bestimmen. Die Beiträge der 3d-Elektronen von NaV2O5 zu den EELS-Spektren konnten durch eine vergleichende Studie der Verlustfunktionen des strukturell verwandten V2O5, das keine d-Elektronen besitzt, separiert werden. Die Beschreibbarkeit der Elektronenstruktur in NaV2O5 durch ein effektives Modell einfach besetzter, molekülähnlicher V-O-V-Sprossen wird bestätigt. Die Coulomb-Wechselwirkung U kann in diesem Modell auf den Wertebereich zwischen 2 und 3 eV eingeschränkt werden. Im Gegensatz zu den stark anisotropen Hüpfwahrscheinlichkeiten in der Leiterebene sind die Coulomb-Wechselwirkungen V zwischen Elektronen auf benachbarten Vanadiumplätzen nahezu von gleicher Größe. Diese Wechselwirkungen sind die treibende Kraft für den Übergang von einem ungeordneten Zustand bei Raumtemperatur in einen zickzackgeordneten Grundzustand bei tiefen Temperaturen.

Das Ziel dieser Arbeit ist die optische Untersuchung von ferroelektrischen Domänen und Domänenwänden auf lokaler Skala. Dafür wurden neuartige nichtinvasive Ansätze entwickelt, die auf der Anwendung optischer Rastersondenmikroskopie basieren. Die untersuchten Schlüsseleigenschaften umfassen den elektrooptischen Effekt für verschiedene Domänenorientierungen und die Brechungindexänderungen an Domänenwänden an Bariumtitanat-Einkristallen. Die lokale Messung der elektrooptischen Eigenschaften wurde mit räumlich stark begrenzten elektrischen Feldern durchgeführt, die mittels elektrisch leitfähigen Spitzen angelegt wurden. Dieser experimentelle Ansatz erlaubt nicht nur die Messung verschiedener elektrooptischer Koeffzienten, sondern auch die Unterscheidung von allen auftretenden, auch antiparallelen, Domänenausrichtungen. Durch Anlegen eines zusätzlichen elektrischen Feldes mittels der gleichen Spitze konnte auch das ferroelektrische Schalten mit dieser optischen Methode untersucht werden. Die Experimente wurden durch eine numerische Modellierung der elektrischen Feldverteilung und der resultierenden elektrooptischen Antwort begleitet. Die Ergebnisse der Modellierung sind dabei in sehr guter Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Dies erlaubt auch die Trennung von Beiträgen verschiedener elektrooptischer Koeffzienten und den entsprechenden Feldkomponenten. ür die experimentelle Untersuchung von den theoretisch vorhergesagten Brechungsindexprofilen einzelner Domänenwände, wurde die Sensitivität der optischen Sonde auf lokale Änderungen des Brechungsindex mittels Polarisations- und Positionsmodulation erhöht. Obwohl die Abbildung einer einzelnen Domänenwand nicht gelang, konnte damit zumindest eine obere Grenze für den optischen Effekt einer Domänenwand experimentell gewonnen werden, welche verträglich mit den theoretischen Vorhersagen ist. / The goal of this thesis is the optical investigation of ferroelectric domains and domain walls at the very local scale. For that, novel noninvasive approaches based on optical scanning probe microscopy are developed. The key properties investigated are the electrooptic effect for different domain orientations and refractive-index changes at single domain walls of barium titanate single crystals. The local probing of the electro-optic response is performed with strongly confined electric fields, applied via a conductive tip. With this approach we can not only probe different electro-optic coeffcients, but also identify all occurring domain orientations, even antiparallel ones. The application of additional bias fields by the same tip is used to investigate ferroelectric switching and domain growth by optical means. The experiments are supported by numerical modelling of the electric-field distribution and the resulting electro-optic response. The modelling shows excellent agreement with the measurements, and allows us to separate the contributions of different electro-optic coeffcients and their associated electric-field components. For the experimental observation of the theoretically predicted refractive-index profiles at single ferroelectric domain walls, polarization and position modulation of the optical probe is used to obtain high sensitivity to local modifications of the refractive index. An upper limit to the optical effect to the optical effect of a single domain wall is deduced from the experiment, which is compatible with the effect predicted by theory.

Es wird ein Verfahren zur lokalisierten elektrochemischen Abscheidung metallischer Strukturen aus Kapillarsonden vorgestellt. Der experimentelle Aufbau, die Herstellung der Sonden, das Arbeiten im Nahfeld der Probe (Scherkraft-Abstandsdetektion)sowie die verschiedenen Beschaltungmöglichkeiten der elektrochemischen Zelle werden ausführlich beschrieben. Ergänzend zu den experimentellen Arbeiten werden einerseits numerische Simulationen gezeigt, die zur Veranschaulichung der Potentialverteilung in der Apexregion dienen und qualitativ beschreiben, wie sich das Schichtdickenprofil der abgeschiedenen Strukturen mit den einstellbaren Parametern (Elektrodenpotentiale, Spitze-Probe-Abstand) variieren läßt. Andererseits werden die verschiedenen Beschaltungsmöglichkeiten der Zelle anhand von Schaltungssimulationen verglichen und so die Wahl des günstigsten Arbeitspunktes für die in den Experimenten verwendete (bi)-potentiostatische Abscheidung diskutiert. Mit dieser Anordnung wurden lokalisiert Cluster in einer porösen Aluminiumoxidmembran deponiert und anschließend abgebildet. In weiteren Strukturierungsversuchen wurden Kupfer bzw. Gold lokalisiert elektrochemisch auf ITO abgeschieden, wobei das Schichtwachstum simultan optisch in Transmission beobachtet wurde. Es werden u.a. Strukturen erzeugt, deren laterale Abmessungen kleiner als der Kapillardurchmesser sind (Fokussierung, max. Verhältnis 8:1). Die derzeit kleinsten elektrochemisch erzeugbaren Strukturen haben eine laterale Ausdehnung von ca. 5 Mikrometern. / A method for the localized electrochemical deposition of metal structures using capillary tips is presented. The experimental set-up, the tip preparation, the distance detection in near-field operation (shear-force detection), as well as the different types of circuiting of the electrochemical cell are described in detail. In addition to the experimental work, numerical simulations for the qualitative visualization of the potential distribution around the apex region show, how the films thickness profile can be adjusted with the variable parameters (electrode voltages, tip-sample distance). Circuit simulations of the electrochemical cell allow to pre-estimate the optimum working conditions for the used (bi)-potentiostatic electrode set-up. With this method, clusters have been deposited in a thin film of porous alumin oxide and imaged in shear-force mode. Gold and copper structures have been deposited on ITO, while the film growth was observed optically. The lateral dimension of the deposited structures can be smaller than the inner diameter of the capillaries (maximum focus: 8:1). The smallest structures produced in this work have lateral dimensions of 5 micrometers.

Imaging with THz radiation at nanoscale resolution is highly desirable for specific material investigations that cannot be obtained in other parts of the electromagnetic spectrum. Nevertheless, classical free-space focusing of THz waves is limited to a >100 μm spatial resolution, due to the diffraction limit. However, the scattering- type scanning near-field optical microscopy (s-SNOM) promises to break this diffraction barrier. In this work, the realization of s-SNOM and spectroscopy for the THz spectral region from 30–300 μm (1–10 THz) is presented. This has been accomplished by using two inherently different radiation sources at distinct experimental setups: A femtosecond laser driven photoconductive antenna, emitting pulsed broadband THz radiation from 0.2–2 THz and a free-electron laser (FEL) as narrow-band high-intensity source, tunable from 1.3–10 THz. With the photoconductive antenna system, it was demonstrated for the first time that near-field spectroscopy using broadband THz-pulses, is achievable. Hereby, Terahertz time-domain spectroscopy with a mechanical delay stage (THz-TDS) was realized to obtain spectroscopic s-SNOM information, with an additional asynchronous optical sampling (ASOPS) option for rapid far-field measurements. The near-field spectral capabilities of the microscope are demonstrated with measurements on gold and on variably doped silicon samples. Here it was shown that the spectral response follows the theoretical prediction according to the Drude and the dipole model. While the broadband THz-TDS based s-SNOM in principle allows for the parallel recording of the full spectral response, the weak average power of the THz source ultimately limits the technique to optically investigate selected sample locations only. Therefore, for true THz near-field imaging, a FEL as a high-intensity narrow- band but highly-tunable THz source in combination with the s-SNOM technique, has been explored. Here, the characteristic near-field signatures at wavelengths from 35–230 μm are shown. Moreover, the realization of material sensitive THz near-field imaging is demonstrated by optically resolving, a structured gold rod with a reso- lution of up to 60 nm at 98 μm wavelength. Not only can the gold be distinguished from the silica substrate but moreover parts of the structure have been identified to be residual resin from the fabrication process. Furthermore, in order to explore the resolution capabilities of the technique, the near-fields of patterned gold nano- structures (Fischer pattern) were imaged with a 50 nm resolution at wavelengths up to 230 μm (1.2 THz). Finally, the imaging of a topography-independent optical material contrast of embedded organic structures, at exemplary 150 μm wavelength is shown, thereby demonstrating that the recorded near-field signal alone allows us to identify materials on the nanometer scale. The ability to measure spectroscopic images by THz-s-SNOM, will be of benefit to fundamental research into nanoscale composites, nano-structured conductivity phenomena and metamaterials, and furthermore will enable applications in the chemical and electronics industries. / Die Bildgebung mit THz Strahlung im Nanobereich ist höchst wünschenswert für genaue Materialuntersuchungen, welche nicht in anderen Spektralbereichen durchgeführt werden kann. Aufgrund des Beugungslimits ist kann jedoch mit klassischen Methoden keine bessere Auflösung als etwa 100 μm für THz-Strahlung erreicht werden. Die Methode der Streulicht-Nahfeldmikroskopie (s-SNOM) verspricht jedoch dieses Beugungslimit zu durchbrechen. In der vorliegenden Arbeit wird die Realisierung der Nahfeld-Mikroskopie und Spektroskopie im THz-Spektralbereich von 30–1500 μm (0.2–10 THz) präsentiert. Dies wurde mittels zweier grundsätzlich unterschiedlichen Strahlungsquellen an separaten Experimentaufbauten erreicht: Einer photoleitenden Antenne welche gepulste breitbandige THz-Strahlung von 0.2–2 THz emittiert, sowie einem Freie- Elektronen Laser (FEL) als schmalbandige hochleistungs Quelle, durchstimmbar von 1.3–10 THz. Mit dem photoleitenden Antennensystem konnte zum ersten mal demonstriert werden, dass mit breitbandigen THz-Pulsen Nahfeldspektroskopie möglich ist. Dazu wurde die übliche THz-Time-Domain-Spektroskopie (THz-TDS) zur Erhaltung der spektroskopischen s-SNOM Informationen, sowie asynchrones optisches Abtasten (ASOPS) für schnelle Fernfeld Spektroskopie eingesetzt. Die nahfeldspektroskopischen Fähigkeiten des Mikroskops wurden anhand von Messungen an Gold sowie unterschiedlich dotierten Siliziumproben demonstriert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die spektrale Antwort den theoretischen Voraussagen des Drude- sowie Dipol Modells folgt. Während das breitband THz-TDS basierte s-SNOM spektroskopische Nahfelduntersuchungen zulässt, limitiert jedoch die schwache Ausgangsleistung der THz-quelle diese Technik insofern, dass praktisch nur Punktspektroskopie an ausgesuchten Probenstellen möglich ist. Für echte nanoskopische Nahfeldbildgebung wurde daher ein FEL als durchstimmbare hochleistungs THz-Quelle in Kombination mit der s-SNOM-Technik erforscht. Hierzu wurden die charakteristischen Nahfeld-Signaturen bei Wellenlängen von 35–230 μm untersucht, gefolgt von die Verwirklichung materialsensitiver THz Nahfeldbildgebung gezeigt an Goldstreifen mit bis zu 60 nm Auflösung. Dabei kann nicht nur das Gold von dem Glassubstrat unterschieden werden, sondern auch Ablagerungen als Überreste des Fabrikationsprozesses identifiziert werden. Um die Grenzen der Auflösungsmöglichkeiten dieser Technik zu sondieren, wurden weiterhin die Nahfelder von gemusterten Gold-Nanostrukturen (Fischer-Pattern) bei Wellenlängen bis zu 230 μm (1.2 THz) abgebildet. Hierbei wurde eine Auflösung von 50 nm festgestellt. Schliesslich konnte der topographieunabhängige Materialkontrast von eingebetteten organischen Strukturen, exemplarisch bei 150 μm Wellenlänge, gezeigt werden. Die Fähigkeit, spektroskopische Aufnahmen mittels der THZ-s-SNOM Technik zu erzeugen, wird der Grundlagenforschung und in der Nanotechnologie zu Gute kommen, und weiterhin Anwendungen in der Chemischen- und Halbleiterindustrie ermöglichen.