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.

In this work, the structural, electronic, and optical properties of CdS nanoparticles with sizes up to 4nm have been calculated using density-functional theory (DFT). Inaccuracies in the description of the unoccupied states of the applied density-functional based tight-binding method (DFTB) are overcome by a new SCF-DFTB method. Density-functional-based calculations employing linear-response theory have been performed on cadmium sulfide nanoparticles considering different stoichiometries, underlying crystal structures (zincblende, wurtzite, rocksalt), particle shapes (spherical, cuboctahedral, tetrahedral), and saturations (unsaturated, partly saturated, completely saturated). For saturated particles, the calculated onset excitations are strong excitonic. The quantum-confinement effect in the lowest excitation is visible as the excitation energy decreases towards the bulk band gap with increasing particle size. Dangling bonds at unsaturated surface atoms introduce trapped surface states which lie below the lowest excitations of the completely saturated particles. The molecular orbitals (MOs), that are participating in the excitonic excitations, show the shape of the angular momenta of a hydrogen atom (s, p). Zincblende- and wurtzite-derived particles show very similar spectra, whereas the spectra of rocksalt-derived particles are rather featureless. Particle shapes that confine the orbital wavefunctions strongly (tetrahedron) give rise to less pronounced spectra with lower oscillator strengths. Finally, a very good agreement of the calculated data to experimentally available spectra and excitation energies is found.

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.

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.

In this work, the structural, electronic, and optical properties of CdS nanoparticles with sizes up to 4nm have been calculated using density-functional theory (DFT). Inaccuracies in the description of the unoccupied states of the applied density-functional based tight-binding method (DFTB) are overcome by a new SCF-DFTB method. Density-functional-based calculations employing linear-response theory have been performed on cadmium sulfide nanoparticles considering different stoichiometries, underlying crystal structures (zincblende, wurtzite, rocksalt), particle shapes (spherical, cuboctahedral, tetrahedral), and saturations (unsaturated, partly saturated, completely saturated). For saturated particles, the calculated onset excitations are strong excitonic. The quantum-confinement effect in the lowest excitation is visible as the excitation energy decreases towards the bulk band gap with increasing particle size. Dangling bonds at unsaturated surface atoms introduce trapped surface states which lie below the lowest excitations of the completely saturated particles. The molecular orbitals (MOs), that are participating in the excitonic excitations, show the shape of the angular momenta of a hydrogen atom (s, p). Zincblende- and wurtzite-derived particles show very similar spectra, whereas the spectra of rocksalt-derived particles are rather featureless. Particle shapes that confine the orbital wavefunctions strongly (tetrahedron) give rise to less pronounced spectra with lower oscillator strengths. Finally, a very good agreement of the calculated data to experimentally available spectra and excitation energies is found.