Diagnostic ultrasound (US) is safer, quicker and cheaper than other diagnostic imaging modalities. Over the past two decades, the applications of US imaging has been widened due to the development of injectable, compressible and encapsulated microbubbles (MBs) that provide an opportunity to improve conventional echocardiographic imaging, blood flow assessment and molecular imaging. The encapsulating material is manufactured by different biocompatible materials such as proteins, lipids or polymers. In current research, researchers modify the encapsulated shell with the help of advanced molecular chemistry techniques to load them with dyes (for fluorescent imaging), nanoparticles and radioisotopes (for multimodal imaging) or functional ligands or therapeutic gases (for local drug delivery). The echogenicity and the radial oscillation of MBs is the result of their compressibility, which undoubtedly varies with the encapsulated shell characteristics such as rigidity or elasticity. In this thesis, we present acoustic properties of novel type of polyvinyl alcohol (PVA)-shelled microbubble (PVA-MB) that was further modified with superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) to work as a dual-modal contrast agent for magnetic resonance (MR) imaging along with US imaging. Apparently, the shell modification changes their mechanical characteristics, which affects their acoustic properties. The overall objective of the thesis is to investigate the acoustic properties of modified and unmodified PVA-MBs at different ultrasound parameters. The acoustic and mechanical characterization of SPIONs modified PVA-MBs revealed that the acoustical response depends on the SPION inclusion strategy. However they retain the same structural characteristics after the modification. The modified MBs with SPIONs included on the surface of the PVA shell exhibit a soft-shelled behavior and produce a higher echogenicity than the MBs with the SPIONs inside the PVA shell. The fracturing mechanism of the unmodified PVA-MBs was identified to be different from the other fracturing mechanisms of conventional MBs. With the interaction of high-pressure bursts, the air gas core is squeezed out through small punctures in the PVA shell. During the fracturing, the PVA-MBs exhibit asymmetric (other modes) oscillations, resulting in sub- and ultra-harmonic generation. Exploiting the US imaging at the other modes of the oscillation of the PVA-MBs would provide an opportunity to visualize very low concentrations of (down to single) PVA-MBs. We further introduced the PVA-MBs along with particles mimicking red blood cells in an acoustic standing-wave field to observe the acoustic radiation force effect. We observed that the compressible PVA-MBs drawn toward pressure antinode while the solid blood phantoms moved toward the pressure node. This acoustic separation method (acoustophoresis) could be an efficient tool for studying the bioclearance of the PVA-MBs in the body, either by collecting blood samples (in-vitro) or by using the extracorporeal medical procedure (ex-vivo) at different organs. Overall, this work contributes significant feedback for chemists (to optimize the nanoparticle inclusion) and imaging groups (to develop new imaging sequences), and the positive findings pave new paths and provide triggers to engage in further research. / <p>QC 20150827</p> / 3MiCRON

L'opto-pyrotechnie (amorçage de la détonation par système optique) est l'une des innovations les plus prometteuses en termes de fiabilité, de sécurité et de performances pour les futurs lanceurs spatiaux. Le but de la thèse est d'étudier et de modéliser le premier des deux étages d'un Détonateur Opto-Pyrotechnique, constitué d'un explosif confiné dans une chambre de combustion fermée où se déroulent les premières phases d'une Transition Déflagration-Détonation. L'amorçage par laser de l'explosif puis la combustion en chambre isochore sont traités par le code EFAE, lequel est couplé au logiciel LS-DYNA qui simule la déformation et la rupture du disque de fermeture de la chambre, puis la propulsion du projectile résultant vers le second étage. En parallèle, diverses techniques expérimentales (adsorption de gaz, vélocimétrie hétérodyne, microscopie) ont mis en valeur plusieurs procédés physiques, ce qui a permis de tester le couplage entre EFAE et LS-DYNA, puis de déterminer et de hiérarchiser les paramètres affectant les critères industriels.

[Truncated abstract] Advanced laser interferometer gravitational wave detectors require an extremely high optical power in order to improve the coupling between the gravitational wave signal and the optical field. This high power requirement leads to new physical phenomena arising from nonlinear interactions associated with radiation pressure. In particular, detectors with multi-kilometer-long arm cavities containing high density optical fields suffer the possibility of 3-mode opto-acoustic interactions. This involves the process where ultrasonic vibrations of the test mass cause the steady state optical modes to scatter. These 3-mode interactions induce transverse optical modes in the arm cavities, which then can provide positive feedback to the acoustic vibrations in the test masses. This may result in the exponential growth of many acoustic mode amplitudes, known as Parametric Instability (PI). This thesis describes research on 3-mode opto-acoustic interactions in advanced interferometric gravitational wave detectors through numerical investigations of these interactions for various interferometer configurations. Detailed analysis reveals the properties of opto-acoustic interactions, and their dependence on the interferometer configuration. This thesis is designed to provide a pathway towards a tool for the analysis of the parametric instabilities in the next generation interferometers. Possible techniques which could be helpful in the design of control schemes to mitigate this undesirable phenomenon are also discussed. The first predictions of parametric instability considered only single interactions involving one transverse mode and one acoustic mode in a simple optical cavity. ... In Chapter 6, I was able to make use of a new analytical model due to Strigin et al., which describes parametric instability in dual recycling interferometers. To make the solution tractable, it was necessary to consider two extreme cases. In the worst case, recycling cavities are assumed to be resonant for all transverse modes, whereas in the best cases, both recycling cavities are anti-resonant for the transverse modes. Results show that, for the worst case, parametric gain values as high as ~1000 can be expected, while in the best case the gain can be as low as ~ 3. The gain is shown to be very sensitive to the precise conditions of the interferometer, emphasising the importance of understanding the behaviour of the detectors when the cavity locking deviates from ideal conditions. Chapter 7 of this thesis contains work on the observation of 3-mode interactions in an optical cavity at Gingin, which confirms the analysis presented here, and also a paper which shows how the problem of 3-mode interactions can be harnessed to create new devices called opto-acoustic parametric amplifiers. In the conclusions in Chapter 8, I discuss the next important steps in understanding parametric interactions in real interferometers – including the need for more automated codes relevant to the design requirements for recycling cavities. In particular, it is pointed out how the modal structure of power and signal recycling cavities must be understood in detail, including the Gouy phase for each transverse mode, to be able to obtain precise predictions of parametric gain. This thesis is organised as a series of papers which are published or have been submitted for publication. Such writing style fills the condition for Ph.D. thesis at the University of Western Australia.

Ce travail concerne la détection de fissure par une méthode optoacoustique non linéaire. Les échantillons sont des plaques de verre contenant une fissure de longueur centimétrique et de largeur micrométrique. La méthode développée est basée sur l’absorption de deux lasers, indépendamment modulés, et focalisés au même endroit de l’échantillon. Ceci génère deux ondes par expansion thermique. La première est une onde thermoélastique à basse fréquence fL (~Hz), et la seconde une onde acoustique à haute fréquence fH (dizaines de kHz). Quand une fissure est présente dans la zone échauffée, l’onde thermoélastique peut la faire respirer. La fissure va se fermer (s’ouvrir) quand l’intensité du laser modulé à fL est haute (basse). Cette respiration influence l’onde acoustique à fH générée à proximité. Il résulte un mélange de fréquence nonlinéaire, provoquant la génération de nouvelles fréquences : fH±n fL (n=1,2,…). La détection de ces fréquences mélangées indique la présence d’une fissure. / This thesis deals with crack detection by a nonlinear optoacoustic method. The samples are glass plates containing a centimeter length and micrometer thick crack. The developed method is based on the absorption of two light beams, independently modulated, and focused at the same location on the sample. This causes the generation of two waves, by thermal expansion. The first one is a thermoelastic wave at low frequency fL (~Hz), and the second is an acoustical one at high frequency fH (tens of kHz). When a crack is present in the heated zone, the thermoelastic wave can make it breathe. The crack is expected to close (open) when the intensity of the heating laser modulated at fL is high (low). This breathing influences the acoustic wave generated in the vicinity of the crack at fH. It results a nonlinear frequency-mixing process, leading to the generation of new frequencies: fH±n fL (n=1,2,…). The detection of these mixed-frequencies indicates the presence of a crack.

Le dépistage du cancer colorectal par IRM à des stades précoces exige l'obtention des images avec une résolution spatiale suffisante. L'acquisition d'images de résolution spatiale submillimétrique peut être réalisée avec des capteurs endoluminaux placés au plus proche de la zone à explorer. Les développements de ce type de capteur ont été compromis par des aspects liés à la sécurité du patient en raison des échauffements localisés qui ont lieu avec une liaison galvanique reliant le capteur au système d'imagerie. Pour pallier ces problèmes de sécurité, nous proposons de développer un capteur magnétique déporté grâce à une transmission par fibre optique. Deux points importants doivent être traités pour réaliser ce capteur : le découplage actif de la boucle endoluminale et le transport optique de l'information RMN. Un système de découplage actif optique a été réalisé puis caractérisé sur banc et en IRM (in-vitro). Les résultats montrent que le découplage optique est efficace et ses performances sont comparables avec un système de découplage conventionnel. Le transport optique du signal RMN a été réalisé en couplant un cristal Electro-Optique à la boucle résonnante endoluminale. Ce cristal permet une modulation de l'état de polarisation du faisceau optique. Les résultats de caractérisation du capteur en termes de linéarité, dynamique et sensibilité sur un banc optique montrent sa faisabilité / Detection of colorectal cancer by MRI at its early stages requires images with high spatial resolution. Submillimetric spatial resolution images can be achieved with MRI endoluminal receiver coil placed as close as possible to the region of interest. However using this type of receiver is always limited by security issues related to patient safety due to localized heating which appear with a galvanic connection between the receiver coil and the imaging system. To address this problem, we propose to develop an non-invasive optically deported characterization of NMR Radiofrequency signal. Two important points need to be addressed to achieve this receiver: active endoluminal loop decoupling and optical signal transport. A system of active optical decoupling has been achieved and characterized on bench and in MRI (in-vitro). The results show that the optical decoupling is efficient and its performance is comparable to a conventional decoupling system. The optical transmission of the NMR signal has been achieved by associating a passive Electro-Optical crystal transducer to the resonant receiver coil. This crystal allows a modulation of the polarization state of the laser probe beam. The results of sensor’s characterization on an optical bench concerning its linearity, its sensitivity and its dynamic, show the feasibility

Ce travail rapporte le développement et la validation d’un système de mesure pour l’étude cinématique des rotations du genou en 3 dimensions. Pour cela, nous avons dans un premier temps étudié in‐vitro les avantages apportés par un système de mesure de référence par rapport à l’évaluation du clinicien. Dans un second temps, nous avons développé un outil de mesure optoélectronique utilisable dans un contexte clinique. Nous avons réalisé une étude de reproductibilité de ce système pour des mesures de rotation interne‐externe en charge sur une série de sujets sains. Enfin, nous avons utilisé le système en condition réelle lors d’une étude clinique de revue à 2 ans de recul. 16 sujets opérés d’une rupture partielle du LCA ont été revus lors d’une consultation. Des mesures de rotation interne‐externe du genou en charge ainsi que des mesures de proprioception ont été réalisées. / The purpose of this work was to develop and to validate a new device for clinical 3D rotational kinematic evaluation of the knee. With this aim in view, we demonstrated in‐vitro the advantages of using a device for clinical evaluation of the knee. After, we developed a clinical opto‐electronic device. We validated it with a protocol for knee examination during an active weight bearing test of rotational laxity on healthy subjects. Last, the device was used in actual conditions for a clinical study. 16 patients were examined 2 years after an ACL partial reconstruction. Weight bearing tests of rotational laxity and proprioception evaluation were performed on the patients.

Les nonlinéarités dans les systèmes nanomécaniques peuvent provenir d’effets dispersif ou dissipatif et ce dans divers systèmes (résistifs, inductifs et capacitifs). Au-delà de l’intérêt fondamental pour tester la réponse dynamique d’un système non-linéaire à plusieurs dégrées de libertés, les nonlinéarités de tels systèmes ouvre la voie vers des capteurs nanomécanique et le traitement du signal. Le résonateur nanomécanique dont la réponse nonlinéaire est étudié, est une membrane suspendue à cristal photonique bidimensionnel utilisée comme miroir déformable. Sa faible masse et sa haute réflectivité en font un candidat idéal pour l’électro-opto-mécanique. L’actuation d’une telle membrane dans le domaine fréquentiel du MHz est rendu possible par des électrodes inter-digitées en dessous de la membrane assurant ainsi l’uniformité de la force d’actuation sur cette dernière. La fabrication de telles structures est basée sur l’intégration hétérogène 3D.La force électrostatique qui s’applique sur la membrane induit des non-linéarités mécaniques avec notamment un effet bistable, des résonances superharmoniques et des résonances stochastiques.La membrane est mise en mouvement par un potentiel électrique V(t) = Vdc + Vac cos(w.t), où Vdc est l’amplitude du courant continu, Vac l’amplitude du courant alternatif à la fréquence d’excitation w;. Le système se comporte alors comme une capacité de sorte que la force qui s’applique sur la membrane varie de manière quadratique avec la tension appliquée. Selon la tension DC ou AC, le comportement de la structure est différent. L’augmentation de la tension DC induit une augmentation de la tension de polarisation sur le matériau qui par conséquent modifie la fréquence propre de la membrane. Tandis que l’augmentation de la tension AC cause l’augmentation de l’amplitude des oscillations de la membrane pouvant aller jusqu’à atteindre le régime non-linéaire.Dans une première série de mesure, la membrane est excitée à la résonance avec une fréquence w; égale à la fréquence du mode mécanique fondamental wm. A partir de la réponse fréquentielle du système, il est possible d’identifier différents modes mécaniques de la membrane sondé optiquement. Pour une excitation plus importante, il est possible d’observer des effets de bistabilité mécanique. Ces non-linéarités sont dues à l’élongation au niveau des points d’ancrage de la membrane.La méthode la plus commune pour agir sur la membrane est l’excitation proche de la résonance fondamentale. Cependant la technique de la résonance superharmonique peut également être utilisée. Cela consiste à appliquer la fréquence d’excitation w; à une fréquence égale à wm/n où n est un entier. La possibilité d’utiliser cette technique est fortement dépendante des nonlinéarités présentes dans le système. Ainsi, l’existence d’une résonance super harmonique à wm/n résulte de la présence d’une nonlinéarité d’ordre n. Dans une seconde série de mesure, un balayage des résonances superharmoniques en fonction de la fréquence et de la puissance a été réalisé en modulant la tension à la fréquence wm/n et en enregistrant la réponse de la membrane autour de wm. Il a été ainsi possible d’observer des résonances superharmoniques allant de n=2 jusqu’à 8. Il a également été possible d’obtenir l’évolution de la phase le long des résonances et ce pour toutes celles observées.Dans une dernière série de mesure, nous utilisons la nonlinéarité présente pour observer des effets de résonance stochastique. L’idée est d’amplifier un signal de faible amplitude (basse fréquence) en injectant du bruit (haute fréquence) dans le système nonlinéaire. Dans le cas de notre système, nous avons été capables d’observer des résonances stochastiques à la fois en amplitude et en phase. Une étude comparative de ces deux régimes est détaillée. Le fait de pouvoir observer la résonance stochastique en phase peut permettre d’envisager la réalisation de communications codées en phase. / Nonlinearities in nanomechanical systems can arise from various sources such as spring and damping mechanisms and resistive, inductive, and capacitive circuit elements. Beyond fundamental interests for testing the dynamical response of discrete nonlinear systems with many degrees of freedom, non-linearities in nanomechanical devices, open new routes for nanomechanical sensing, and signal processing.The nonlinear response of a nanomechanical resonator consisting in a suspended photonic crystal membrane acting as a deformable mirror has been investigated. The low-mass and high reflectivity of suspended membranes pierced by a two-dimensional photonic crystal, makes them good candidates as electro-optomechanical resonator. Actuation of the membrane motion in the MHz frequency range is achieved via interdigitated electrodes placed underneath the membrane. The choice of these electrodes is due to the fact they are able to uniformly actuate these membranes. The processing of such platforms relies on 3D-heterogenous integration process.The applied electrostatic force induces mechanical non-linearities, in particular bistability, superharmonic resonances and stochastic resonance.The membrane is actuated by an electric load V(t) = Vdc + Vac cos(w.t), where Vdc is the DC polarization voltage, Vac the amplitude of the applied AC voltage, and w; the excitation frequency. The system acts as a capacitive system and thus the force applied on the membrane varies as a quadratic function of the applied voltage. Application of either DC or AC voltages can have different implications. Increasing the DC voltage increases the polarizing voltage on the material which in turn causes modulation of the eigenfrequency of the membranes. While an increase in the periodic AC voltage causes the membrane to oscillate more, pushing the system towards non-linear regime.In a first series of experiments, the membrane is actuated resonantly, with an excitation frequency w; equal to the fundamental mechanical modes frequency wm. From the frequency response spectra of the system it was possible to identify different mechanical modes of these membranes via optical measurements. For increased actuation voltages, bistability effects are observed with two different behaviors (spring hardening or softening). The mechanical nonlinearities due to stretching at the clamping point dominate the resonator dynamics.The most commonly used method to act upon the membrane is the primary-resonance excitation, in which the frequency of the excitation is tuned closed to the fundamental natural frequency of the nanostructure. Superharmonic resonance can also be implemented. It consists in applying an excitation frequency w; equal to wm/n, with n being integer. Existence of these superharmonic resonances is highly dependent on the non-linearity of the system. For example existence of n-th order non-linearity results in presence wm/n superharmonic resonance. In a second series of experiments, frequency-power sweep for superharmonic resonance has been performed, by modulating the electric load at a frequency wm/n and recording the response of the membrane at the fundamental frequency wm. High-order superharmonic resonances are observed with n=2 up to 8. Under superharmonic excitation, the control of the phase across the resonance has been shown for every observed resonance.In the next set of experiments, we used the nonlinearity existing in the system to perform stochastic resonance. The idea of stochastic resonance is amplification of a weak signal (with low frequency) by means of noise injected (higher frequency) in a nonlinear system. For our system we were able to achieve stochastic resonance with both amplitude and phase noise. A comparative study between these two schemes was also done in details. The idea of observing stochastic resonance in phase is very interesting as it opens doors to realize phase encoded communications.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第20402号 / 工博第4339号 / 新制||工||1672(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科高分子化学専攻 / (主査)教授 中條 善樹, 教授 澤本 光男, 教授 古賀 毅 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

Diese Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung von lichtemittierenden Tunnelkontakten. Eine an diese Kontakte angelegte Spannung bewirkt einen Tunnelstrom. Die tunnelnden Elektronen regen wiederum Oberflächenplasmonen an, welche durch Streuung als Licht ins Fernfeld abgestrahlt werden. Oberflächenplasmonen sind Oszillationen der Elektronendichte an Metalloberflächen. Sie werden durch eine elektromagnetische Welle, welche an die Oberfläche gebunden ist und sich an der Grenzfläche entlang ausbreiten kann, beschrieben. Die Anregung dieser Oberflächenwellen wird in Experimenten meist durch Lichtquellen wie Lasern realisiert. Es ist jedoch auch möglich, Oberflächenplasmonen durch geladene Teilchen zu erzeugen. Diese Arbeit setzt sich mit dem Anregen von Oberflächenplasmonen durch inelastisches Elektronentunneln auseinander. Es werden hierfür Metall-Isolator-Metall- (MIM) und Metall-Isolator-Halbleiter-Tunnelkontakte (MIS) hergestellt und charakterisiert. Ein angeregtes Oberflächenplasmon kann durch Streuung als Photon abgestrahlt werden. Dieses Licht wird im Rahmen dieser Arbeit genutzt, um die ablaufenden Prozesse zu analysieren. In den Untersuchungen gelang es, die Tunnelkontakte so herzustellen, dass sich ein fester Tunnelstrom einstellt. Durch Optimierung der Präparation und Materialwahl wurde weiterhin eine zeitlich stabile Lichtemission erzielt. Mittels der Kombination von Siliciumwafern mit monokristallinen Goldplättchen, konnten die Stabilität und die optischen Eigenschaften des emittierten Lichts optimiert werden. Darüber hinaus wurde ein hoher Polarisationsgrad erreicht, der mit amorphen Goldelektroden nicht möglich war. Die atomar flachen Goldplättchen führen weiterhin zur Unterdrückung von ungewünschter Plasmonenstreuung, welche auf Oberflächenrauheit zurückzuführen ist. Ebenso konnte gezeigt werden, dass in einer strukturierten Metallelektrode lokalisierte Oberflächenplasmonen angeregt werden. Hierdurch verändern sich charakteristische spektrale Eigenschaften des abgestrahlten Lichts. Die gewonnenen Erkenntnisse können dafür genutzt werden, extrem kleine Plasmonenquellen zu realisieren, welche sich direkt mit anderen plasmonischen Bauelementen, wie Wellenleitern, auf Chip-Niveau kombinieren lassen. Ebenso stellen die lichtemittierenden Tunnelkontakte robuste und schnelle elektro-optische Koppler dar.:Zusammenfassung 7 Abstract 8 Abkürzungen 9 1 Einleitung 11 2 Theorie 15 2.1 Elektrische Eigenschaften von Tunnelkontakten 15 2.2 Optische Eigenschaften von Tunnelkontakten 21 2.2.1 Elektrodynamische Beschreibung und Dispersionsrelation von Oberflächenplasmonen 21 2.2.2 Plasmonenanregung 24 2.2.3 Feldverteilung und Dispersionsrelation in Tunnelkontakten 25 3 Experimentelle Methoden 31 3.1 Probenherstellung 31 3.1.1 Präparation der Substrate 31 3.1.2 Monokristalline Goldflakes 32 3.1.3 Beschichtung 35 3.1.4 Photolithographie 38 3.1.5 Interferenzlithographie 40 3.1.6 Focussed Ion Beam Milling 45 3.2 Elektrische Charakterisierung 47 3.3 Optische Charakterisierung 48 3.3.1 Invertiertes optisches Mikroskop: Axiovert 200 48 3.3.2 Abbildung von Bildebene und Brennebene 50 3.3.3 Spektroskopie 51 3.3.4 Spektraler Messbereich und Transferfunktion 52 4 Al-Al2O3-Au Tunnelkontakte 57 4.1 Aufbau 57 4.2 Elektrische Eigenschaften 58 4.2.1 Stabilität und Schaltbarkeit 62 4.3 Optische Eigenschaften 65 4.3.1 Spektrale Eigenschaften 67 4.3.2 Emissionszentren 71 4.4 Morphologische Veränderungen 73 4.5 Zusammenfassung 76 5 Si-SiO2-Au Tunnelkontakte 79 5.1 Aufbau 79 5.2 Elektrische Eigenschaften 80 5.2.1 Ohmscher Kontakt zu Silicium 81 5.2.2 Einfluss der Dotierung 83 5.2.3 Einfluss des Isolatormaterials 85 5.2.4 Stabilität 86 5.3 Optische Eigenschaften 89 5.3.1 Spektrale Eigenschaften 90 5.3.2 Abstrahlcharakteristik und -mechanismus 92 5.3.3 Emission unterhalb des Quantenlimits 95 5.3.4 Emissionszentren 97 5.3.5 Stabilität der Emission 103 5.3.6 Strukturierte Tunnelkontakte 104 5.4 Zusammenfassung 114 6 Monokristalline Goldflakes 117 6.1 Besonderheiten der Goldflakes 117 6.2 Aufbau 120 6.3 Optische Eigenschaften 122 6.3.1 Spektrale Eigenschaften 125 6.3.2 Vergleich zu Si-SiO2-Au Tunnelkontakten 126 6.4 Tunnelkontakte mit strukturierten Flakes 128 6.5 Zusammenfassung 133 7 Zusammenfassung und Ausblick 135 Literatur 145 / This thesis deals with the fabrication and characterization of light emitting tunnel junctions. A voltage applied to these structures causes a tunneling current. The tunneling electrons in turn excite surface plasmons, which are scattered into photons that are emitted into the far field. Surface plasmon resonances are the collective oscillation of the electron density at a metal interface. Associated with them is an electromagnetic wave which is bound to the interface and can propagate along it. The excitation of these surface waves in experiments is often achieved by lightsources like lasers. It is, however, also possible to generate surface plasmons by charged particles. This work deals with the excitation of surface plasmons by inelastic electron tunneling. To investigate this, metal-insulator-metal (MIM) and metal-insulator-semiconductor (MIS) tunnel junctions are produced and characterized. The excited surface plasmons can be scattered and emitted as photons. This light is used to study the underlying processes. It was possible to produce the tunnel junctions in such a way that a stable tunnel current is achieved. By optimizing the preparation and choice of materials, a continous light emission without fluctuations was achieved. By combining silicon wafers with monocrystalline gold platelets, the stability and optical properties of the emitted light was optimized. Moreover, a high degree of polarization was achieved, which was not possible with amorphous gold electrodes. The atomically flat gold platelets further lead to the suppression of unwanted plasmon scattering, which is caused by surface roughness. It has also been shown that localized surface plasmons are excited in a structured metal electrode, which changes characteristic spectral properties of the emitted light. The knowledge gained can be used to realize extremely small plasmon sources, which can be combined directly with other plasmonic components, such as waveguides, on the chip level. Likewise, the light-emitting tunnel junctions are robust and fast electro-optical couplers.:Zusammenfassung 7 Abstract 8 Abkürzungen 9 1 Einleitung 11 2 Theorie 15 2.1 Elektrische Eigenschaften von Tunnelkontakten 15 2.2 Optische Eigenschaften von Tunnelkontakten 21 2.2.1 Elektrodynamische Beschreibung und Dispersionsrelation von Oberflächenplasmonen 21 2.2.2 Plasmonenanregung 24 2.2.3 Feldverteilung und Dispersionsrelation in Tunnelkontakten 25 3 Experimentelle Methoden 31 3.1 Probenherstellung 31 3.1.1 Präparation der Substrate 31 3.1.2 Monokristalline Goldflakes 32 3.1.3 Beschichtung 35 3.1.4 Photolithographie 38 3.1.5 Interferenzlithographie 40 3.1.6 Focussed Ion Beam Milling 45 3.2 Elektrische Charakterisierung 47 3.3 Optische Charakterisierung 48 3.3.1 Invertiertes optisches Mikroskop: Axiovert 200 48 3.3.2 Abbildung von Bildebene und Brennebene 50 3.3.3 Spektroskopie 51 3.3.4 Spektraler Messbereich und Transferfunktion 52 4 Al-Al2O3-Au Tunnelkontakte 57 4.1 Aufbau 57 4.2 Elektrische Eigenschaften 58 4.2.1 Stabilität und Schaltbarkeit 62 4.3 Optische Eigenschaften 65 4.3.1 Spektrale Eigenschaften 67 4.3.2 Emissionszentren 71 4.4 Morphologische Veränderungen 73 4.5 Zusammenfassung 76 5 Si-SiO2-Au Tunnelkontakte 79 5.1 Aufbau 79 5.2 Elektrische Eigenschaften 80 5.2.1 Ohmscher Kontakt zu Silicium 81 5.2.2 Einfluss der Dotierung 83 5.2.3 Einfluss des Isolatormaterials 85 5.2.4 Stabilität 86 5.3 Optische Eigenschaften 89 5.3.1 Spektrale Eigenschaften 90 5.3.2 Abstrahlcharakteristik und -mechanismus 92 5.3.3 Emission unterhalb des Quantenlimits 95 5.3.4 Emissionszentren 97 5.3.5 Stabilität der Emission 103 5.3.6 Strukturierte Tunnelkontakte 104 5.4 Zusammenfassung 114 6 Monokristalline Goldflakes 117 6.1 Besonderheiten der Goldflakes 117 6.2 Aufbau 120 6.3 Optische Eigenschaften 122 6.3.1 Spektrale Eigenschaften 125 6.3.2 Vergleich zu Si-SiO2-Au Tunnelkontakten 126 6.4 Tunnelkontakte mit strukturierten Flakes 128 6.5 Zusammenfassung 133 7 Zusammenfassung und Ausblick 135 Literatur 145

Understanding structure-property relationship of molecules is imperative for designing efficient materials for organic semiconductors. Organic semiconductors are based on π-conjugated molecules, either small molecules or macromolecules such as dendrimers or polymers. Charge transport through organic materials is one of the most important processes that drive organic electronic devices. We have investigated the charge transport properties in various molecular designs based on dendrons, dendron-rod-coil molecular triads, and conjugated oligomers. The charge transport properties were studied using bottom contact field effect transistors, in which the material was deposited by spin coating. In case of dendrons, their generation and density of charge transporting functionalities were found to play a significant role in influencing the charge transport properties. In case of macromolecules such as dendron-rod-coil molecules, the solid state morphology plays a significant role in influencing the charge transport properties. While these molecules exhibit only electron transporting behavior in field-effect transistor measurements, ambipolar charge transport is observed in the diode configuration. Short conjugated oligomers, based on donor-acceptor-donor design, provide model systems for conjugated polymers. Effect of varying the donor functionality on optoelectronic and charge transport properties was studied in short donor-acceptor-donor molecules. While donor-acceptor-donor molecules are well known in the literature, the effect of molecular composition on the charge transport properties is not well understood. We designed molecules with 2,1,3-benzothiadiazole as the acceptor and thiophene based donor functionalities. These molecules exhibit a reduced bandgap, good solution processability and charge mobility making them interesting systems for application in organic photovoltaics. Cyclopentadithiophene (CPD) based materials have been widely utilized as organic semiconductors due to their planar nature which favors intermolecular charge transport. While most CPD based materials are hole transporting, incorporation of electron withdrawing fluorinated substituents imparts n-type behavior to these molecules. This change in charge transport properties has often been attributed to the lowering of the LUMO energy level due to the increased electron affinity in the molecule. We designed CPD based semiconductors in which the bridgehead position was functionalized with electron withdrawing ketone or dicyanomethylene group and the -positions were substituted with phenyl or pentafluorophenyl groups. Both the phenyl substituted molecules are p-type materials, even though the dicyanomethylene group lowers the LUMO by 500 meV as compared to the carbonyl compound. The pentafluorophenyl substituted molecules are n-type materials even as their LUMO energy levels are about 300 meV higher than the corresponding phenyl substituted molecules. This indicates that charge transport behavior is not an exclusive function of the frontier orbital energy levels.