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Ziel dieser Arbeit war es, die Reaktivität von V2O3(0001) zu untersuchen. In dieser Arbeit wird sich zunächst mit dem epitaktischen Wachstum von V2O3-Filmen auf Au(111)und W(110) befaßt. Stöchiometrie und Geometrie der dünnen Filme wurden mit Röntgenphotoelektronenspektroscopie (XPS), Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) und Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) charakterisiert. Wir haben gezeigt, dass die Oberfläche zwei Terminierungen aufweist, die sich durch die An- bzw. Abwesenheit von zusätzlichen Sauerstoffatomen auf der Oberfläche unterscheiden. Diese Sauerstoffatome bilden Vanadylgruppen mit den Oberflächenvanadiumatomen, deren Streckschwingung mit Infrarotabsorptionsspektroskopie (IRAS) detektiert werden kann. Die elektronische Struktur des V2O3(0001) dünnen Filmes wurde mittels UV-Photoelektronenspektroskopie (UPS), XPS und NEXAFS untersucht. Wir haben bewiesen, dass die Bildung von Vanadylgruppen an der Oberfläche einen Metall-Isolator Übergang hervorruft. Für jede Oberflächenterminierung wurde ein elektronenenergieverlustspektrum (HREELS) gezeigt und mit einem Spektrum des isomorphischen Cr2O3 verglichen. Wasseradsorptionsexperimente zeigen, dass Wasser sowohl molekular als auch dissoziativ auf beiden Oberflächen adsorbiert. Die Dissoziationswahrscheinlichkeit hängt von der Terminierung und von der Bedeckung ab. Sie ist am höchsten bei großer Bedeckung auf der -V=O Oberfläche. CO2 Adsorption wurde mit UPS, XPS, HREELS und IRAS untersucht. CO2 physisorbiert auf der -V=O Oberfläche. Den IRA Spektren entnehmen wir, dass CO2 auf der -V Oberfläche als gewinkelte Spezies adsorbiert. Heizen dieser Spezies auf 200 K führt zu Karbonatbildung. Die Adsorption von CO verhält sich ähnlich wie die von CO2: nur kleine Menge adsorbieren auf der -V=O Oberfläche, während die -V Oberfläche viel reaktiver zu sein scheint. Winkelaufgelöste UPS Messungen deuten auf eine flache CO Adsorptionsgeometrie auf der -V=O Oberfläche hin. NEXAF- und IRA-Spektren zeigen dagegen, dass bereits bei 90 K sich CO2 auf der -V Oberfläche bildet. / In this work, we firstly showed that it is possible to grow thin V2O3(0001) films on Au(111) and W(110). The stoichiometry of the film has been characterized by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS). We inferred with infrared absorption spectroscopy (IRAS) the existence of two possible terminations of the V2O3(0001) surface. These two terminations differ only by the presence or not of oxygen atoms on the top of the surface, forming vanadyl groups with the surface vanadium atoms. We studied with UV photoelectron spectroscopies (UPS), XPS and NEXAFS the electronic structure of our V2O3(0001) thin films. Our data evidence a metal to insulator transition induced by the formation of the vanadyl groups on the surface. We performed high resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS) measurements and presented a phonon spectrum for each termination. We compared our spectra with a spectrum of the isomorphic Cr2O3(0001). We studied the water adsorption properties of both surface terminations. We observed molecularly adsorbed water on both surface terminations for low exposures. For large exposures, water dissociates and OH-groups were detected. We performed CO2 adsorption experiments with UPS, XPS, HREELS and IRAS. The analyze of the IRAS results on the -V terminated surface leads us to the conclusion that CO2 adsorbs in a bent configuration. With UPS and XPS, we could evidence the formation of carbonates upon heating up to 200 K. On the -V=O surface, CO adsorbs molecularly and we concluded from the angle resolved UPS data that the CO molecule is strongly tilted on the surface. With NEXAFS and IRAS, we showed the formation of CO2 on the -V surface.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der elektronischen Struktur von Bi-Kupraten vom Normalzustand bis in den supraleitenden Zustand. Der Normalzustand von einschichtigen Bi-Kupraten wurde mittels polarisationsabhängiger XAS untersucht. Es konnte eine deutliche Polarisationsabhängigkeit der CuL3- und OK-Kante innerhalb der Kupferoxidebene beobachtet werden. Insbesondere in den Merkmalen, die den dotierten Löchern zugeordnet werden. Die Winkelabhängigkeit geht über die erwartete Hybridisierung von Cu3dx^2-y^2- und O2px,y-Orbitalen hinaus, und unterstützt somit Theorien, die auch Orbitale ausserhalb der Kupferoxidebene zur Beschreibung der elektronischen Struktur einbeziehen. Desweiteren wurde beobachtet, dass die Ladungs-Transfer-Lücke sich mit steigender Lochkonzentration vergrößert konform zu Theorien zum Zusammenbruch der Zhang-Rice-Singuletts im überdotierten Bereich. Mittels ARPES wurden die Anregungen nahe der Fermikante in antinodaler Richtung an zweischichtigen Bi-Kupraten untersucht. Die komplexe Linienform im zweischichtigen Bi-Kuprat, die aus Interlageneffekten resultiert, wurde durch die gezielte Ausnutzung von Matrixelementeffekten vereinfacht. Dadurch konnten, in Kombination mit der spezifischen Ausrichtung der Polarisation, vorherige, sich scheinbar widersprechende Beobachtungen am einschichtigen und zweischichtigen Bi-Kuprat in Einklang gebracht werden. Es konnte gezeigt werden, dass im zweischichtigen Bi-Kuprat eine Anregung zusätzlich zum bindenden und antibindenden Band existiert, welche mit dem antibindenden Band korreliert zu sein scheint. Außerdem zeigt es Gemeinsamkeiten mit dem scharfen Peak, der im einschichtigen Bi-Kuprat gefunden wurde. So besteht es über die supraleitende Sprungtemperatur Tc hinaus, und verschwindet vermutlich bei oder über der Pseudolücken-Temperatur T*. Die ARPES Messungen lassen sich am Besten innerhalb des Modells elektronischer Inhomogenitäten erklären, welches Hochtemperatursupraleitung aus Streifen ableitet. / The electronic structure of Bi cuprates from the normal state down to the superconducting state has been investigated. The normal state electronic structure is probed by polarization dependent XAS on single layer Bi cuprates. With the x-ray beam being incident normal to the CuO2 plane the azimuthal angle was varied to explore the polarization effects on orbitals within the plane. In the CuL3- as well as the OK-edge spectra, the spectral features related to the doped holes showed a distinct polarization dependence within the CuO2 plane. The revealed polarization dependence is more complex than expected from hybridization of Cu3dx^2-y^2 and O2px,y orbitals only. Thus, the results support the inclusion of out-of-plane orbitals into the description of the electronic structure as has been previously theoretically proposed. Furthermore, the charge transfer gap has been observed to rise with rising hole concentration supporting theories of the instability of Zhang-Rice-singlets in the overdoped regime. By ARPES the excitations close to the Fermi surface in the antinodal region of double layer Bi cuprates have been investigated. The complex lineshape in double layer Bi cuprates that results from interlayer effects has been disentangled by exploiting matrix element effects. In combination with distinct polarization settings this enabled to unify seemingly inconsistent observations made on single and double layer Bi cuprates. The existence of an excitation additional to antibonding and bonding band could be shown in the double layer Bi cuprate. This additional excitation is probably connected to the antibonding band. It furthermore shows similarities to the sharp peak observed in single layer Bi cuprates. It persists to temperatures above the superconducting temperature Tc, and presumably vanishes at or above the pseudogap temperature T*. The ARPES results could be best explained within the model of electronic inhomogeneity which derives superconductivity from stripes.

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L'optimisation du couplage lumière-matière requiert la connaissance de l'orientation du dipôle émetteur associé à une source de photons, ainsi que de la distribution de champ électrique du mode excité. Afin de maximiser le couplage entre des émetteurs fluorescents et des nanostructures, nous avons établi une méthode qui permet de déterminer l'orientation d'un dipôle d'émission. Les calculs en champ électrique, associés à une analyse en polarisation, constituent une modélisation complète, pouvant être généralisée à diverses situations expérimentales. Nous appliquons ensuite la méthode proposée à des nanocristaux colloïdaux de CdSe/CdS et CdSe/ZnS sphériques, ainsi qu'à des nanobâtonnets de CdSe/CdS. Nous avons déterminé, par une analyse en polarisation, l'orientation complète d'un dipôle émetteur individuel. Nous avons ensuite étudié le couplage de la lumière à des plasmons grâce à des réseaux périodiques métalliques. Des mesures de réflectivité spéculaire ont mis en évidence un couplage efficace de la lumière incidente à des plasmons de surface sur une large gamme de longueurs d'onde. Des mesures de microscopie électronique par photoémission (PEEM), basées sur la collection d'électrons photoémis à la surface du métal, ont permis d'étudier le couplage de la lumière aux modes plasmons de surface, avec une haute résolution spatiale (25 nm). L'excitation de l'échantillon par un laser, dont on varie la longueur d'onde et la polarisation, fournit une cartographie de la distribution du champ à la surface. Les échantillons étudiés ont mis en évidence différentes signatures de couplage du faisceau incident aux modes plasmoniques (franges d'interférences, points chauds). / The emission features of a single emitter embedded in a nanostructure are closely related to the local environment parameters, as well as to the orientation of the dipole itself. In order to maximize the coupling of fluorescent emitters to nanostructures, we established a model to determine the 3D-orientation of an emitting dipole. I developed an analytic description of a method which allows a measurement of a single dipole orientation to be performed, in various experimental configurations. I then applied this method to colloidal semiconductor nanocrystals (spherical CdSe/CdS and CdSe/ZnS nanocrystals and CdSe/CdS dot-in-rods). By using a polarization analysis, I determined the 3D-orientation of a single emitting dipole. This study led us to the particular conclusion that the emitting dipole associated to a dot-in-rod is not aligned with the elongated axis of the dot-in-rod. In a second part, I studied the coupling between light to surface plasmons modes using periodic metallic gratings. Specular reflectivity measurements highlighted an efficient coupling between the incident visible light and surface plasmons polaritons for a large range of wavelengths. Photoemission electron microscopy (PEEM) measurements, based on the collection of photo-emitted electrons on the surface of the sample, allowed the coupling of light to plasmonic modes to be investigated with a high spatial resolution (25 nm). The sample is excited by a laser tunable in polarization and wavelength, providing a map of the electric field on the surface. The samples showed two different signatures of a coupling to plasmonic modes (interference fringes and hot spots).

In dieser Arbeit wurden mittels winkelaufgelöster Photoemission verschiedene Verbindungen mit stark korrelierten Elektronen untersucht. Es wurde gezeigt, dass diese Technik einen direkten Zugang zu den niederenergetischen Wechselwirkungen bietet und dadurch wichtige Informationen über die Vielteilchenphysik dieser Systeme liefert. Die direkte Beobachtung der scharfen Quasiteilchenstrukturen in der Nähe der Fermikante ermöglichte insbesondere die genaue Betrachtung der folgenden Punkte: 1. Quantenphasenübergang: analog zu [27] wurde gezeigt, dass die hochaufgelöste PES Zugriff auf die lokale Energieskala TK bietet. Außerdem konnte im Rahmen eines störungstheoretischen Modells allgemein gezeigt werden, wie sich kleine RKKY-Störungen auf TK auswirken. Aus der experimentellen Entwicklung von TK(x) in CeCu6-xAux lassen sich mit Hilfe dieses Modells Rückschlüsse auf den Quantenphasenübergang bei T = 0 ziehen. 2. Kondogitter: mit Hilfe einer geordneten CePt5/Pt(111)-Oberflächenlegierung wurde demonstriert, dass mit ARPES Kondogittereffekte beobachtet werden können. Dazu zählen die Beobachtung von Hybridisierungsbandlücken und der starken Renormierung der Bandmassen in der Nähe von EF. Diese Effekte lassen sich, mit Hilfe unterschiedlicher Anregungsenergien und Messungen an einer isostrukturellen LaPt5-Schicht, eindeutig dem Resultat einer d f -Mischung der elektronischen Zustände zuweisen. Anhand von temperaturabhängigenMessungen konnte erstmals der Übergang von lokalisierten zu kohärenten Quasiteilchen in einem Kondosystem mittels ARPES beobachtet werden. 3. Phasenübergänge: bei FeSi und URu2Si2 wurde jeweils gezeigt, dass die ARPES sensitiv für kleinste Änderungen der elektronischen Struktur in unmittelbarer Umgebung der Fermienergie ist. Es konnten charakteristische Energien und Temperaturen, sowie am Phasenübergang beteiligte Bänder und deren effektive Massen m* quantifiziert werden. Insbesondere wurde gezeigt, dass Heavy-Fermion-Bänder mit m* = 40 me eine wichtige Rolle beim Hidden-order-Phasenübergang in URu2Si2 spielen. 4. Oberflächeneffekte: für alle Proben, außer CeCu6-xAux, musste festgestellt werden, dass Oberflächenzustände beträchtliche Anteile am Spektrum besitzen können. Daher ist bei jedem Material größte Vorsicht bei der Präparation der Oberfläche und der Interpretation der Spektren angebracht. Als eine geeignete Methode um Oberflächen und Volumenanteile auseinander zu halten, stellten sich anregungsenergieabhängige Messungen heraus. 5. theoretische Modelle: trotz der Bezeichnung “stark korrelierte Systeme”, unterscheiden sich die untersuchten Verbindungen bezüglich ihrer theoretischen Beschreibung: die Physik der Cersysteme (CeCu6, CePt5/Pt(111)) ist bei T > TK durch lokale Störstellen bestimmt und lassen sich somit im Rahmen des SIAM beschreiben. Bei tieferen Temperaturen T < TK treten jedoch Anzeichen von beginnender Kohärenz auf und geben somit den Übergang zum PAM wieder. Schwere, dispergierenden Bänder in URu2Si2 und FeSi zeigen, dass beide Systeme nur mit Hilfe eines geordneten Gitters beschreibbar sind. Insbesondere stellt sich für FeSi heraus, dass eine Erklärung im Kondoisolator-Bild falsch ist und ein Hubbard-Modell-Ansatz angebrachter scheint. / In this thesis angle-resolved photoemission investigations on diverse strongly- correlated systems were presented. It was shown that this technique gives a direct access to the low-energy excitations of a solid and therefore provides important information about its many-body physics. In particular the spectroscopic investigation of the sharp quasi-particle features near the Fermi edge gave information about the following points: 1. quantum phase transition: as already investigated in [27], it was shown that high resolution PES gives a direct access to the local energy scale TK. In the framework of a pertubative model, it was presented how small RKKY corrections influence the Kondo temperature. From the experimental evolution of TK(x) in CeCu6-xAux conclusions could be drawn about the quantum phase transition at T = 0. 2. Kondo lattice: an ordered CePt5/Pt(111) surface alloy was prepared and investigated by ARPES. The sharp spectra show the characteristics of a Kondo lattice: hybridization gaps and a strong renormalization of the band mass in the vicinity of the Fermi edge. With the aid of different excitation energies and measurements on an isostructural LaPt5 surface alloy it was shown, that these effects are due to a d f -mixing. For the first time, the transition from the single-impurity to the heavy-fermion regime could be observed by ARPES. 3. phase transitions: for FeSi and URu2Si2 the sensitivity of ARPES to small changes in the Fermi surface was shown in the temperature dependent spectra. The measurements reveal characteristic energies and temperatures of the phase transitions. Furthermore the bands which are involved in the phase transition and their effective masses m* could be quantified. In the case of URu2Si2 it was shown that a heavy-fermion band with m* = 40 me is affected by the hidden-order phase transition. 4. surface effects: besides CeCu6-xAux all samples showed significant surface contribution to the spectra. Excitation energy dependent measurements were found to be a good tool to distinguish between bulk and surface contributions. 5. theoretical models: despite the shared expression “strongly correlated systems” the compounds differ in their theoretical description: it was found that the physics of cerium systems (CeCu6, CePt5/Pt(111)) at T > TK can be described in the framework of the SIAM. However, at lower temperatures (T < TK) the signatures of coherence appear in the spectra. These can only be described by the PAM. Heavy dispersing bands have been observed for URu2Si2 and FeSi. Thus these systems must be described by a Hamiltonian with lattice properties, too. Especially the transition metal compound FeSi was shown to be no Kondo insulator. A description in the framework of a multi-band Hubbard Hamiltonian seems to be more appropriate for this compound.

Nanoscale lithography is the key component of the semiconductor device fabrication process. For the sub-10 nm node device, the conventional deep ultraviolet (DUV) photolithography approach is limited by the diffraction nature of light even with the help of double or multiple patterning. The upcoming extreme ultraviolet (EUV) photolithography can overcome this resolution limit by using very short wavelength (13.5nm) light. Because of the prohibitive cost of the tool and the photomask, the EUV lithography is only suitable for high volume manufacturing of high value. Several alternative lithography technologies are proposed to address the cost issue of EUV such as directed self-assembly (DSA), nanoimprint lithography (NIL), scanning probe lithography, maskless plasmonic photolithography, optical maskless lithography, multiple electron-beam lithography, etc.<div><br></div><div>Electron-beam lithography (EBL) utilizes a focused electron beam to write patterns dot by dot on the silicon wafer. The beam size can be sub-nanometers and the resolution is limited by the resist not the beam size. However, the major drawback of EBL is its low throughput. The throughput can be increased by using large current but at the cost of large beam size. This is because the interaction between electrons in the pathway of the electron beam. To address the trade-off between resolution and throughput of EBL, the multiple electron-beam lithography was proposed to use an array of electron-beams. Each beam has a not very large beam current to maintain good resolution but the total current can be very high to improve the throughput. One of the major challenges is how to create a uniform array of electron beamlets with large brightness.<br></div><div><br></div><div>This dissertation shows a novel low-cost high-throughput multiple electron-beam lithography approach that uses plasmonic enhanced photoemission beamlets as the electron beam source. This technology uses a novel device to excite and focus surface electromagnetic and electron waves to generate millions of parallel electron beamlets from photoemission. The device consists of an array of plasmonic lenses which generate electrons and electrostatic micro-lenses which guide the electrons and focus them into beams. Each of the electron beamlets can be independently controlled. During lithography, a fast spatial optical modulator will dynamically project light onto the plasmonic lenses individually to control the switching and brightness of electron beamlets without the need of a complicated beamlet-blanking array and addressable circuits. The incident photons are first converted into surface electromagnetic and electron waves by plasmonic lens and then concentrated into a diffraction-unlimited spot to excite the local electrons above their vacuum levels. Meanwhile, the electrostatic micro-lens will extract the excited electrons to form a finely focused beamlet, which can be rastered across a wafer to perform lithography. The scalable plasmonic enhanced photoemission electron-beam sources are designed and fabricated. An array of micro-scale electrostatic electron lenses are designed and fabricated using typical micro-electro-mechanical system (MEMS) fabrication method. The working distance (WD) defined as the gap from the electron lens to the underneath silicon wafer is regulated using a gap control system. A vacuum system is designed and constructed to host the multiple electron-beam system. Using this demo system, the resolution of the electron beams is confirmed to be better than 30 nm from the lithography results done on poly methyl methacrylate (PMMA) and hydrogen silsesquioxane (HSQ) resists. According to simulation results, the electron beam spot size can be further optimized to be better than 10 nm.<br></div><div><br></div><div>This scheme of high-throughput electron-beam lithography with multiple plasmonic enhanced photoemission beamlets has the potential to be an alternative approach for the sub-10 nm node lithography. Because of its maskless nature, it is cost effective and especially suitable for low volume manufacturing and prototype demonstration.<br></div><div><br></div><div><br></div>

Nous avons étudiés l'excitation d'un solide diélectrique par une impulsion laser femtoseconde<br />(fs) intense dans le domaine visible où XUV. Ce type d'irradiation produit des électrons excit<br />és avec des énergies initiales qui vont de quelques eV à quelques dizaines d'eV au dessus<br />du bas de la bande de conduction. La relaxation de ces électrons est à l'origine de nombreux<br />phénomènes tels que l'ablation laser, le claquage optique ou le transport des électrons "<br />chauds " dans les matériaux à intérêt technologique (SiO2 et diamant). L'objectif de ce travail<br />de thèse est d'étudier de façon directe et de mieux comprendre ces mécanismes de relaxation<br />électroniques. Deux techniques expérimentales complémentaires, utilisant les impulsions XUV<br />ultrabrèves, issues de la génération d'harmoniques d'ordres élevés, ont été mises oeuvre pour<br />mener à bien ces études. Tout d'abord, les expériences de photoémission ont permis de mettre<br />en lumière un nouveau mécanisme d'absorption du rayonnement par les électrons de la bande<br />de conduction : les transitions multiphotoniques interbandes. Nos résultats montrent que ce<br />processus est le mécanisme dominant d'échauffement des électrons. Cette conclusion est de<br />plus corroborée par les résultats d'un modèle théorique basé sur la résolution de l'équation<br />de Schrödinger dépendante du temps. D'autre part, des expériences " pompe/sonde " de<br />photoémission résolue en temps ont eu pour but de sonder la population d'électrons excités<br />par une impulsion XUV et de suivre son évolution temporelle sur une échelle de temps fs<br />à ps. Les temps de décroissance mesurés sont de l'ordre de quelques ps pour des électrons<br />de 30 eV. L'interprétation des ces durées de vie longue est problématique. Nous suggérons<br />un modèle de relaxation en deux étapes, tout d'abord purement électronique et rapide, puis<br />d'interaction avec le réseau plus lente, pour expliquer ces résultats expérimentaux. Le second<br />type d'expériences porte sur une spectroscopie de photoconduction sur du diamant. En utilisant<br />les harmoniques d'ordres élevés comme source d'excitation nous avons mesuré le courant<br />de déplacement induit qui permet d'accéder au nombre d'électrons excités en fonction de<br />l'énergie des photons incidents. Cette information permet d'étudier l'efficacité de l'ionisation<br />par impact (collision inélastique électron/électron). Nos résultats peuvent s'interpréter par la<br />structure particulière du diamant qui comporte une deuxième bande interdite 10 eV au dessus<br />du bas de la bande de conduction. Des simulations Monte-Carlo permettent de confirmer cette<br />interprétation.

In this thesis the InSb(111), InAs(111) and GaSb(001) surfaces have been studied by means of time- and angle-resolved photoemission spectroscopy based upon the femtosecond laser system. The pump-and-probe technique allows to analyse both electron states in the valence band and normally unpopulated electron states above the valence band, which can be occupied by transiently excited carriers at the optically pumped surface. The life time of excited carriers is analysed by controlling over the time delay between pump and probe pulses. Experimental studies of the InSb(111) surface and comparison with a previously studied InSb(110) surface show electron excitations in the bulk region with a minor surface contribution. Time-resolved experiments of carrier dynamics at the polar InAs(111)A and InAs(111)B surfaces show about the same life time of excited carriers, while no populated states above the valence band maximum have been found at the InAs(111)A due to the charge removal. Surface intergap electron states have been found at the GaSb(001) surface located at ~250 meV above the valence band maximum. Angle-resolved experiments showed a strong confinement of this state at the centre of the surface Brillouin zone. A new two dimensional angle-resolved multi-anode analyser for the femtosecond laser photoemission setup has been constructed. The analyser can resolve a cone opening angle of ~1º at a drift distance of ~0.5 m with an energy resolution of ~125 meV. A continuous series of binary system SrTiO3–PbZr0.52Ti0.48O3 has been grown by pulsed laser deposition (PLD) on sapphire substrate with crystalline quality control by x-ray diffraction (XRD). The maximum tunability has been tailored to room temperature, where STO�PZT (71/29) composition shows superior performance. A PbZr0.52Ti0.48O3 thin film pressure sensor has been fabricated by PLD and characterised by XRD and electrical measurements. The piezoelectric constant was found to be ~20 % higher compared to the bulk ceramics. A ferroelectric thin film electro-optical cell Na0.5K0.5NbO3/La0.5Sr0.5CoO3 (NKN/LSCO) on sapphire has been fabricated by PLD. Refractive indices and electro-optical coefficient of the cell were characterised by prism coupling refractometry. The tunability of the PLD fabricated 2 μm slot NKN thin film interdigital capacitor has been found ~23 % at 40 V bias voltage and frequency 1 MHz. / QC 20101015