Ternäre I-III-VI-Metall-Chalkogenid-Quantenpunkte (QDs) Cu-In-S (CIS), Ag-In-S (AIS) und Kern-Schale CIS/ZnS, AIS/ZnS stellen eine mögliche Alternative dar zu binären II-VI und IV-VI QDs, die giftige Metalle wie CdX und PbX (X = S, Se, Te) enthalten. I-III-VI QDs zeigen eine Kombination aus intensiver und einstellbarer Absorption von sichtbarem Licht und starker Photolumineszenz (PL), die vom sichtbaren bis zum nahen Infrarotbereich eingestellt werden kann. Dies eröffnet Möglichkeiten für praktische Anwendungen als Lumineszenzmaterialien für Leuchtdioden (LEDs), fluoreszierende Biomarkern, Solarzellen, Fotodetektionsmaterialien usw. Obwohl sie strukturell verwandt sind, sind die optischen Eigenschaften von II-VI und I-III-VI QDs sehr unterschiedlich - scharfe Absorptions- und PL-Merkmale für die ersteren und breit und ohne Merkmale für die letzteren, sogar für sehr kristalline QDs mit enger Größenverteilung. Die scheinbare Lücke zwischen den II-VI und I-III-VI QDs wird durch einen speziellen Typ von II-VI QDs gefüllt - sogenannte ultrakleine Nanopartikel oder magische Cluster, die eine Größe von 2-2,5 nm nicht überschreiten. Ihre Absorptionsspektren sind so scharf wie die von II-VI's und die PL ist so breit und intensiv wie bei I-III-VI's. Trotz ihrer II-VI-Zusammensetzung kann die vergleichbare Anzahl von Oberflächen- und Bulk-Atomen strukturelle Umlagerungen in den ultrakleinen QDs verursachen, die qualitativ und quantitativ ähnliche Auswirkungen auf die optischen Spektren haben können wie die Nicht-Stöchiometrie und Antisite in I-III-VI-QDs. Als Ergebnis der durchgeführten Forschung haben wir optische Spektren systematisch untersucht und basierend auf stationären und zeitaufgelösten PL-Daten zu QDs verschiedener Zusammensetzung und Oberflächenmodifikation eine vernünftige Erklärung für die ungewöhnlichen PL-Eigenschaften von I-III-VI- und ultrakleinen II-VI-QDs im Rahmen des Modells der selbstgefangenen Exzitonen vorschlagen (Kapitel 4). Mit Hilfe der Multiwellenlängen- und temperaturabhängigen Raman-Spektroskopie ist es uns gelungen, die Vibrations-Fingerabrücke der ultrakleinen II-VI-QDs und stark nicht-stöchiometrischen I-III-VI-QDs zu ermitteln (Kapitel 5). Mit der Kombination aus monochromatischer XPS und He I/He II UPS gingen wir über die konventionelle Anwendung der Photoemissionsspektroskopie im QD-Bereich als Sonde für die chemische Zusammensetzung hinaus. Es ist uns gelungen, einen systematischen Zusammenhang zwischen der elektronischen Struktur der QDs und ihren grundlegenden und für Anwendungen wichtigen Parametern wie Austrittsarbeit, Valenzband-Maximum-Offsets in Bezug auf die Fermi-Niveaus, Ionisierungspotentiale und Elektronenaffinitäten herzustellen (Kapitel 6). Durch die Einbeziehung von Auger-Features in die Analyse ist es uns gelungen, die Hauptschwierigkeit bei der Aufnahme von Photoemissionsspektren von ex-situ präpariertem hybriden organisch-anorganischen Materialien wie kolloidalen QDs - den Aufladungseffekt - zu umgehen.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Herstellung und optische Untersuchung von Halbleiterheterostrukturen, genauer Mikrokavitäten, in denen ein Bose–Einstein Kondensat (BEK) von sogenannten Exziton-Polaritonen im Festkörper erzeugt und beobachtet werden soll. Diese Strukturen bestehen aus zwei hochreflektierenden Braggspiegeln (BS) und einer ZnO-Kavität als aktivem Material. Zunächst wurde die Abscheidung der BS hinsichtlich genauer Schichtdickenkontrolle und Reproduzierbarkeit verbessert. Um Kavitätsschichten hinreichender Qualität herzustellen, wurden mehrere Ansätze zur Optimierung dieser planaren Schichtabscheidung mittels gepulster Laserdeposition verfolgt. Dabei kamen Techniken, wie das Ausheizen der Proben oder deren Glättung durch Ionenstrahlbeschuß zum Einsatz, um die elektronischen Eigenschaften bzw. die Oberflächen der Kavitätsschichten erheblich zu verbessern. Desweiteren wurde erfolgreich ein Verfahren entwickelt, freistehende, nahezu einkristalline ZnO-Nanodrähte mit Braggspiegeln zu ummanteln. Alle hergestellten Strukturen wurden in ihren strukturellen Eigenschaften, speziell hinsichtlich ihrer Rauhigkeit und Kristallinität, verglichen und mittels orts- und/oder winkelaufgelöster Photolumineszenzspektroskopie sowie Reflexionsmessungen bezüglich ihrer optischen Eigenschaften untersucht. Dabei konnte in fast allen Proben die starke Kopplung, welche die Grundlage für ein BEK darstellt, gezeigt werden. Hinweise für eine höhere Kopplungsstärke in den Nanodraht-basierten Mikrokavitäten wurden gefunden. Der Nachweis von BEK bis nahe Raumtemperatur gelang an der vielversprechendsten planaren Probe, die einen Qualitätsfaktor von ca. 1000 aufweist. Die Eigenschaften des BEK wurden für verschiedene Temperaturen und Detunings untersucht. Es hat sich gezeigt, daß ein negatives Detuning unerläßlich für die Bildung eines BEK in ZnO-basierten Mikrokavitäten ist. Die Impulsraumverteilung der Kondensat-Polaritonen läßt auf ausgeprägte dynamische Eigenschaften dieser Teilchen bei tiefen Temperaturen schließen. / The present work covers the fabrication and optical investigation of semiconductor microcavities for Bose–Einstein condensation (BEC) of exciton-polaritons. These microcavities consist of highly reflective distributed Bragg reflectors (DBR) surrounding a ZnO-cavity as active medium. In the first step, the growth of DBRs was optimised with respect to exact thickness control and high reproducibility. For the active material, several growth strategies have been pursued, in order to optimise the conditions for the growth of planar thin films by pulsed laser deposition. Techniques like annealing or ion beam smoothing were successfuly applied in order to either improve the electronic properties or decrease the roughness of the ZnO-cavity layer. Furthermmore, a successful technology was developed in order to coat highly-crstalline free-standing ZnO nanowires with concentrical DBR shells. All samples have been investigated regarding their roughness and crystallinity as well as their optical properties. For the latter spatially and/or angular-resolved photoluminescence spectroscopy and reflection measurements have been carried out. Thereby, the strong coupling regime – being prerequisite for BEC – could be demonstrated in almost all of the synthesized structures. For the nanowire-based microcavities hints for an enhanced coupling strength have been found. In one of the planar samples, showing the high quality factor of 1000, the formation of BEC almost up to room temperature was observed and was studied as a function of temperature and detuning. Negative detuning was found to be mandatory for the formation of a BEC in ZnO-based microcavities. The distinct momentum- respective in-plane wavevector distribution of the condensate polaritons revealed a strong dynamic character of these particles at low temperatures.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Dispersion von Exziton-Polaritonen in ZnO-basierten Mikroresonatoren, welche zum einen theoretisch bezüglich der Eigenschaften der reinen Kavitätsmoden und zum anderen experimentell mittels Photolumineszenz-Spektroskopie und Reflektionsmessungen untersucht wurden. Dabei wird besonders auf die Rolle der linearen Polarisation sowie auf die Besetzung der Exziton-Polaritonen-Zustände eingegangen. Dies ist von Interesse, da diese Mikroresonatoren vielversprechende Kandidaten für die Realisierung eines Exziton-Polariton Kondensates sind, welches ähnliche Eigenschaften wie das klassische Bose-Einstein Kondensat besitzt. Die Eigenschaften der Exzitonen-Polaritonen werden durch die der beteiligten ungekoppelten Exzitonen und Photonen bestimmt. Im Falle der Photonen hängen diese stark von der linearen Polarisation ab, da es sich bei der ZnO-Kavität um ein optisch anisotropes Material handelt. Mittels einer entwickelten Näherung für die Berechnung der Kavitätsmoden, welche die optische Anisotropie der Kavität sowie die endliche Ausdehnung der Spiegel berücksichtigt, konnte gezeigt werden, dass im Falle der hier verwendeten ZnO-Kavität die optische Anisotropie zu einer Reduktion der Energieaufspaltung zw. der s- und p-polarisierten Mode im sichtbaren Spektralbereich führt. Der allgemeine Fall einer optisch anisotropen Kavität wird ebenfalls diskutiert. In den untersuchten ZnO-basierten Mikroresonatoren konnte eine starke Wechselwirkung zwischen Exzitonen und Photonen bis zu einer Temperatur von T = 410 K beobachten werden. Dabei wurde eine maximale Kopplungsstärke von 55 meV bei T = 10 K ermittelt. Anhand des beobachteten Verlaufs der Dispersion der Exziton-Polaritonen konnten in einem Mikroresonator Hinweise für eine zusätzliche Kopplung zwischen gebundenen Exzitonen und Photonen gefunden werden. Des Weiteren zeigte die Dispersion der Exziton-Polaritonen eine starke Polarisationsabhängigkeit. Eine maximale Energieaufspaltung des unteren Zweiges für die beiden linearen Polarisationen von 6 meV bei einem starken negativen Detuning von -70 meV wurde beobachtet. Es wird gezeigt, dass diese hohe Energieaufspaltung einen großen Einfluss auf die Besetzung der Zustände der Exziton-Polaritonzweige hat. Unter Verwendung verschiedener Anregungsleistungen und einer keilartigen Kavität wurde der Einfluss des Detunings systematisch auf die Besetzung der Exziton-Polaritonzustände untersucht und diskutiert. Es konnte eine Voraussage für den optimalen Detuning – Temperaturbereich für eine mögliche Kondensation getroffen werden. Erste Beobachtungen eines Kondensates in einem der Resonatoren bestätigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuartigen, autarken, folienbasierten Sensorsystems für die Belastungsdetektion an Leichtbaumaterialien. Das integrierte Sensorsystem ist in der Lage mechanische Belastungen über die Photolumineszenz von Quantum Dots visuell darzustellen, wodurch strukturelle Defekte in Leichtbaumaterialien frühzeitig erkannt und ein Totalausfall einer gesamten Leichtbaukonstruktion verhindert werden kann. Dies führt neben einer erhöhten Sicherheit einzelner Komponenten und kompletter Konstruktionen auch zu Gewichts-, Kosten- und Rohstoffersparnissen. Die gezielte Beeinflussung der Photolumineszenz von Quantum Dots durch Ladungsträgerinjektion als Hauptmechanismus des Sensorsystems erfordert spezielle Lagenaufbauten von Dünnschichtsystemen. Durch die Kombination dieser Dünnschichtsysteme mit piezoelektrischen Materialien entsteht ein autarkes Sensorsystem, wodurch eine Auswertung, Visualisierung und Speicherung der Information über eine stattgefundene mechanische Belastung an Leichtbaumaterialien auf kleinsten Raum erreicht wird.:Inhaltsverzeichnis Formelverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Vorwort 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 2 Autarker Sensor für mechanische Beanspruchungen 2.1 Sensorkonzept, -aufbau und Funktionsweise 2.2 Anforderungen an die Funktionalität 2.3 Stand der Technik 3 Theoretische Grundlagen 3.1 Quantum Dots 3.1.1 Größenquantisierungseffekt 3.1.2 Photolumineszenz 3.1.3 Aufbau und Materialien 3.1.4 Kommerziell erhältliche Quantum Dots 3.2 Mechanismen zur Beeinflussung der Photolumineszenz 3.2.1 Ladungsträgerinjektion in den QD Kern 3.2.2 Feldinduzierte Ionisation des Exzitons 3.2.3 Weitere Mechanismen 3.3 Ladungsträgertransportschichten 3.3.1 Poly(N-vinylkarbazol) 3.3.2 N,N,N´,N´-Tetrakis(3-methylphenyl)-3,3´-dimethylbenzidin 3.3.3 Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat) 3.4 Lithiumfluorid als elektrischer Isolator 3.5 Modellsysteme 3.5.1 Einbettung der QDs in organische Lochtransportschichten 3.5.2 QDs zwischen Elektrode und organischer Lochtransportschicht 3.5.3 QDs zwischen Elektrode und Nichtleiter 4 Experimentelle Vorgehensweise 4.1 Layout und Kontaktierung von Teststrukturen 4.2 Verfahren zur Herstellung dünner Schichten 4.2.1 Physikalische Gasphasenabscheidung 4.2.2 Rotationsbeschichtung 4.2.3 Weitere Verfahren 4.3 Charakterisierung der Schichten und der Gesamtfunktionalität 4.3.1 Mikrospektroskopieaufbau 4.3.2 Weitere Messverfahren 4.4 Integration der Schichtstapel in Faserkunststoffverbund 5 Experimentelle Untersuchungen 5.1 Einordnung der einzelnen Schichten der Modellsysteme 5.1.1 Elektroden 5.1.2 Matrixmaterial und Quantum Dots 5.2 Einordnung des elektrischen Verhaltens der Modellsysteme 5.2.1 Modellsystem I 5.2.2 Modellsystem II 5.2.3 Modellsystem III 5.3 Einfluss externer Beleuchtung am Modellsystem II und III 5.3.1 Modellsystem II 5.3.2 Modellsystem III 5.4 Wiederholbarkeit der elektrischen Beanspruchung am Modellsystem III 5.4.1 Photolumineszenzintensität 5.4.2 Stromdichte 5.4.3 Gesamtwiderstand im Schichtstapel 5.5 Einfluss des elektrischen Feldes am Modellsystem III 5.5.1 Photolumineszenzintensität 5.5.2 Stromdichte 5.5.3 Widerstand 5.6 Einfluss der Integration auf das Verhalten von Modellsystem III 5.6.1 Optisches Verhalten der Laminiertasche und des Harzsystems 5.6.2 Funktionalität des Schichtstapels nach der Integration 5.7 Temperaturwechseltest am integrierten Schichtstapel 5.8 Speicherzeit elektrischer Ladungsträger am Modellsystem III 5.8.1 Stabilität des Lasers und der PL Intensität 5.8.2 Reproduzierbarkeit 5.8.3 Langzeitmessung 5.9 Kopplung des Schichtsystems mit piezoelektrischem Element 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Anhang A : Layouts für untere Elektrode E1 und obere Elektrode E2 Anhang B : Halter für die Kontaktierung der Teststrukturen Anhang C : Frontpanel zur Aufnahme der Photolumineszenz Anhang D : Messdaten Profilometer Veeco Dektak 150 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Lebenslauf / This work focuses on the development of a novel, self-sufficient, film-based sensor system for load detection on lightweight materials. The integrated sensor system is capable to visualize mechanical loads on lightweight structures by quenching the photoluminescence of quantum dots. Structural defects in lightweight materials can thus be detected at an early stage and total failure of an entire lightweight structure can be prevented. In addition to increased safety of individual components and complete structures, this also leads to weight, cost and raw material savings. The quenching of the photoluminescence of quantum dots by charge carrier injection as the main mechanism of the sensor system requires special thin-film layer stacks. By combining these thin-film layer stacks with piezoelectric materials, a self-sufficient sensor system is created. An evaluation, visualization and storage of the information about a mechanical load that has taken place on lightweight materials is thus achieved in a very small space.:Inhaltsverzeichnis Formelverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Vorwort 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 2 Autarker Sensor für mechanische Beanspruchungen 2.1 Sensorkonzept, -aufbau und Funktionsweise 2.2 Anforderungen an die Funktionalität 2.3 Stand der Technik 3 Theoretische Grundlagen 3.1 Quantum Dots 3.1.1 Größenquantisierungseffekt 3.1.2 Photolumineszenz 3.1.3 Aufbau und Materialien 3.1.4 Kommerziell erhältliche Quantum Dots 3.2 Mechanismen zur Beeinflussung der Photolumineszenz 3.2.1 Ladungsträgerinjektion in den QD Kern 3.2.2 Feldinduzierte Ionisation des Exzitons 3.2.3 Weitere Mechanismen 3.3 Ladungsträgertransportschichten 3.3.1 Poly(N-vinylkarbazol) 3.3.2 N,N,N´,N´-Tetrakis(3-methylphenyl)-3,3´-dimethylbenzidin 3.3.3 Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat) 3.4 Lithiumfluorid als elektrischer Isolator 3.5 Modellsysteme 3.5.1 Einbettung der QDs in organische Lochtransportschichten 3.5.2 QDs zwischen Elektrode und organischer Lochtransportschicht 3.5.3 QDs zwischen Elektrode und Nichtleiter 4 Experimentelle Vorgehensweise 4.1 Layout und Kontaktierung von Teststrukturen 4.2 Verfahren zur Herstellung dünner Schichten 4.2.1 Physikalische Gasphasenabscheidung 4.2.2 Rotationsbeschichtung 4.2.3 Weitere Verfahren 4.3 Charakterisierung der Schichten und der Gesamtfunktionalität 4.3.1 Mikrospektroskopieaufbau 4.3.2 Weitere Messverfahren 4.4 Integration der Schichtstapel in Faserkunststoffverbund 5 Experimentelle Untersuchungen 5.1 Einordnung der einzelnen Schichten der Modellsysteme 5.1.1 Elektroden 5.1.2 Matrixmaterial und Quantum Dots 5.2 Einordnung des elektrischen Verhaltens der Modellsysteme 5.2.1 Modellsystem I 5.2.2 Modellsystem II 5.2.3 Modellsystem III 5.3 Einfluss externer Beleuchtung am Modellsystem II und III 5.3.1 Modellsystem II 5.3.2 Modellsystem III 5.4 Wiederholbarkeit der elektrischen Beanspruchung am Modellsystem III 5.4.1 Photolumineszenzintensität 5.4.2 Stromdichte 5.4.3 Gesamtwiderstand im Schichtstapel 5.5 Einfluss des elektrischen Feldes am Modellsystem III 5.5.1 Photolumineszenzintensität 5.5.2 Stromdichte 5.5.3 Widerstand 5.6 Einfluss der Integration auf das Verhalten von Modellsystem III 5.6.1 Optisches Verhalten der Laminiertasche und des Harzsystems 5.6.2 Funktionalität des Schichtstapels nach der Integration 5.7 Temperaturwechseltest am integrierten Schichtstapel 5.8 Speicherzeit elektrischer Ladungsträger am Modellsystem III 5.8.1 Stabilität des Lasers und der PL Intensität 5.8.2 Reproduzierbarkeit 5.8.3 Langzeitmessung 5.9 Kopplung des Schichtsystems mit piezoelektrischem Element 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Anhang A : Layouts für untere Elektrode E1 und obere Elektrode E2 Anhang B : Halter für die Kontaktierung der Teststrukturen Anhang C : Frontpanel zur Aufnahme der Photolumineszenz Anhang D : Messdaten Profilometer Veeco Dektak 150 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Lebenslauf

Die vorliegende Arbeit behandelt die Dispersion von Exziton-Polaritonen in ZnO-basierten Mikroresonatoren, welche zum einen theoretisch bezüglich der Eigenschaften der reinen Kavitätsmoden und zum anderen experimentell mittels Photolumineszenz-Spektroskopie und Reflektionsmessungen untersucht wurden. Dabei wird besonders auf die Rolle der linearen Polarisation sowie auf die Besetzung der Exziton-Polaritonen-Zustände eingegangen. Dies ist von Interesse, da diese Mikroresonatoren vielversprechende Kandidaten für die Realisierung eines Exziton-Polariton Kondensates sind, welches ähnliche Eigenschaften wie das klassische Bose-Einstein Kondensat besitzt. Die Eigenschaften der Exzitonen-Polaritonen werden durch die der beteiligten ungekoppelten Exzitonen und Photonen bestimmt. Im Falle der Photonen hängen diese stark von der linearen Polarisation ab, da es sich bei der ZnO-Kavität um ein optisch anisotropes Material handelt. Mittels einer entwickelten Näherung für die Berechnung der Kavitätsmoden, welche die optische Anisotropie der Kavität sowie die endliche Ausdehnung der Spiegel berücksichtigt, konnte gezeigt werden, dass im Falle der hier verwendeten ZnO-Kavität die optische Anisotropie zu einer Reduktion der Energieaufspaltung zw. der s- und p-polarisierten Mode im sichtbaren Spektralbereich führt. Der allgemeine Fall einer optisch anisotropen Kavität wird ebenfalls diskutiert. In den untersuchten ZnO-basierten Mikroresonatoren konnte eine starke Wechselwirkung zwischen Exzitonen und Photonen bis zu einer Temperatur von T = 410 K beobachten werden. Dabei wurde eine maximale Kopplungsstärke von 55 meV bei T = 10 K ermittelt. Anhand des beobachteten Verlaufs der Dispersion der Exziton-Polaritonen konnten in einem Mikroresonator Hinweise für eine zusätzliche Kopplung zwischen gebundenen Exzitonen und Photonen gefunden werden. Des Weiteren zeigte die Dispersion der Exziton-Polaritonen eine starke Polarisationsabhängigkeit. Eine maximale Energieaufspaltung des unteren Zweiges für die beiden linearen Polarisationen von 6 meV bei einem starken negativen Detuning von -70 meV wurde beobachtet. Es wird gezeigt, dass diese hohe Energieaufspaltung einen großen Einfluss auf die Besetzung der Zustände der Exziton-Polaritonzweige hat. Unter Verwendung verschiedener Anregungsleistungen und einer keilartigen Kavität wurde der Einfluss des Detunings systematisch auf die Besetzung der Exziton-Polaritonzustände untersucht und diskutiert. Es konnte eine Voraussage für den optimalen Detuning – Temperaturbereich für eine mögliche Kondensation getroffen werden. Erste Beobachtungen eines Kondensates in einem der Resonatoren bestätigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Herstellung und optische Untersuchung von Halbleiterheterostrukturen, genauer Mikrokavitäten, in denen ein Bose–Einstein Kondensat (BEK) von sogenannten Exziton-Polaritonen im Festkörper erzeugt und beobachtet werden soll. Diese Strukturen bestehen aus zwei hochreflektierenden Braggspiegeln (BS) und einer ZnO-Kavität als aktivem Material. Zunächst wurde die Abscheidung der BS hinsichtlich genauer Schichtdickenkontrolle und Reproduzierbarkeit verbessert. Um Kavitätsschichten hinreichender Qualität herzustellen, wurden mehrere Ansätze zur Optimierung dieser planaren Schichtabscheidung mittels gepulster Laserdeposition verfolgt. Dabei kamen Techniken, wie das Ausheizen der Proben oder deren Glättung durch Ionenstrahlbeschuß zum Einsatz, um die elektronischen Eigenschaften bzw. die Oberflächen der Kavitätsschichten erheblich zu verbessern. Desweiteren wurde erfolgreich ein Verfahren entwickelt, freistehende, nahezu einkristalline ZnO-Nanodrähte mit Braggspiegeln zu ummanteln. Alle hergestellten Strukturen wurden in ihren strukturellen Eigenschaften, speziell hinsichtlich ihrer Rauhigkeit und Kristallinität, verglichen und mittels orts- und/oder winkelaufgelöster Photolumineszenzspektroskopie sowie Reflexionsmessungen bezüglich ihrer optischen Eigenschaften untersucht. Dabei konnte in fast allen Proben die starke Kopplung, welche die Grundlage für ein BEK darstellt, gezeigt werden. Hinweise für eine höhere Kopplungsstärke in den Nanodraht-basierten Mikrokavitäten wurden gefunden. Der Nachweis von BEK bis nahe Raumtemperatur gelang an der vielversprechendsten planaren Probe, die einen Qualitätsfaktor von ca. 1000 aufweist. Die Eigenschaften des BEK wurden für verschiedene Temperaturen und Detunings untersucht. Es hat sich gezeigt, daß ein negatives Detuning unerläßlich für die Bildung eines BEK in ZnO-basierten Mikrokavitäten ist. Die Impulsraumverteilung der Kondensat-Polaritonen läßt auf ausgeprägte dynamische Eigenschaften dieser Teilchen bei tiefen Temperaturen schließen. / The present work covers the fabrication and optical investigation of semiconductor microcavities for Bose–Einstein condensation (BEC) of exciton-polaritons. These microcavities consist of highly reflective distributed Bragg reflectors (DBR) surrounding a ZnO-cavity as active medium. In the first step, the growth of DBRs was optimised with respect to exact thickness control and high reproducibility. For the active material, several growth strategies have been pursued, in order to optimise the conditions for the growth of planar thin films by pulsed laser deposition. Techniques like annealing or ion beam smoothing were successfuly applied in order to either improve the electronic properties or decrease the roughness of the ZnO-cavity layer. Furthermmore, a successful technology was developed in order to coat highly-crstalline free-standing ZnO nanowires with concentrical DBR shells. All samples have been investigated regarding their roughness and crystallinity as well as their optical properties. For the latter spatially and/or angular-resolved photoluminescence spectroscopy and reflection measurements have been carried out. Thereby, the strong coupling regime – being prerequisite for BEC – could be demonstrated in almost all of the synthesized structures. For the nanowire-based microcavities hints for an enhanced coupling strength have been found. In one of the planar samples, showing the high quality factor of 1000, the formation of BEC almost up to room temperature was observed and was studied as a function of temperature and detuning. Negative detuning was found to be mandatory for the formation of a BEC in ZnO-based microcavities. The distinct momentum- respective in-plane wavevector distribution of the condensate polaritons revealed a strong dynamic character of these particles at low temperatures.

Selbstorganisierte InAs Nanostrukturen in InP, wie Quantendrähte, Quantenpunkte, und Quantengräben als Referenz, werden bezüglich ihres Wachstums, ihrer Struktur, optischen Eigenschaften und Transporteigenschaften untersucht. Das Stranski-Krastanov Wachstum der Nanostrukturen auf exakt orientiertem und vizinalem InP(001) wird mittels Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie untersucht. Ich zeige, dass die Missorientierung des vizinalen InP, weitestgehend unabhängig von den Wachstumsparametern, den Nanostrukturtyp definiert. Optische Polarisation der Interbandübergänge (im 1.55 Mikrometer Bereich) aufgrund des Nanostrukturtyps wird mittels Photolumineszenz- und Transmissionsspektroskopie wird nachgewiesen. Die experimentell unaufwändige 4-Kontakt van der Pauw Hall Messung wird erweitert, um anisotrope Transporteigenschaften zu bestimmen. Der Ladungstägertransport in einer Schicht dicht gepackter, lateral gekoppelter InAs Nanostrukturen ist stark anisotrop mit der Hochbeweglichkeitsrichtung [-110], was parallel zur Richtung der Quantendrähte ist. Die maximalen Anisotropien übersteigen 30 für Elektronen und 100 für Löcher. Die extreme Anisotropie im Falle der Löcher basiert auf diffusem Transport in der [-110], und Hoppingtransport in der [110] direction. Die Elektronenbeweglichkeit bei niedrigen Temperaturen wird duch Grenzflächenrauhigkeitsstreuung in der [110] direction, und Streuung an entfernten Störstellen in der [-110] dominiert. Im Kontext gekoppelter Nanostrukturen, zeige ich, dass die Transportanisotropie auf anisotroper Tunnelkopplung zwischen benachbarten Nanostrukturen beruht, und weniger durch die Form der Nanostruktur bestimmt wird. Transport im Quanten-Hall Regime, und die Schwache Lokalisierung werden untersucht. Ein neuartiges Baulelement basierend auf Gate-konrollierter Transportanisotropie wird vorgeschlagen. Es wird gezeigt, dass modulationsdotierte InAs Quantendrähte für eine Implementierung des Bauelements geeignet sind. / Self-assembled InAs nanostructures in InP, comprising quantum wires, quantum dots, and quantum wells as reference, are studied in terms of their formation, structural properties, optical properties, and anisotropic transport properties. The Stranski-Krastanov growth of InAs nanostructures is studied by gas-source molecular beam epitaxy on both nominally oriented and vicinal InP(001). I demonstrate that the off-cut direction of vicinal substrates - largely independent of growth conditions - determines the nanostructure type. Optical polarization of the interband transitions (in the 1.55 micron wavelength range) arising from the nanostructure type is demonstrated by photoluminescence and transmission spectroscopy. The experimentally convenient four-contact van der Pauw Hall measurement is extended to yield the anisotropic transport properties. The in-plane transport in large ensembles of closely spaced, laterally coupled InAs nanostructures is highly anisotropic with the high-mobility direction [-110], which is parallel to the direction of the quantum wires. The maximum anisotropies exceed 30 for electrons, and 100 for holes. The extreme anisotropy for holes is due to diffusive transport in the [-110], and hopping transport in the [110] direction. The principal electron mobilities at low temperature are dominated by interface roughness scattering in the [110] direction, and by remote impurity scattering in the [-110] direction. In the context of coupled nanostructure, I demonstrate that the transport anisotropy results from directionally anisotropic tunnel coupling between adjacent nanostructures rather than from the nanostructure shape anisotropy. The Quantum-Hall regime, and the weak-localization contribution to conductivity is studied. A novel 5-terminal electronic switching device based on gate-controlled transport anisotropy is proposed. Modulation-doped InAs/InP quantum wires are demonstrated to be a candidate for implementation of the device.

GaN-Nanodrähte können mit einer hohen strukturellen Perfektion auf verschiedenen kristallinen und amorphen Substraten gewachsen werden. Sie bieten somit faszinierende Möglichkeiten, sowohl zur Untersuchung von fundamentalen Eigenschaften des Materialsystems, als auch in der Anwendung in optoelektronischen Bauteilen. Obwohl bereits verschiedene Prototypen solcher Bauteile vorgestellt wurden, sind viele grundlegende Eigenschaften von GaN-Nanodrähten noch ungeklärt, darunter die interne Quanteneffizienz (IQE), welche ein wichtiges Merkmal für optoelektronische Anwendungen darstellt. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine detaillierte Untersuchung der Rekombinationsdynamik von Exzitonen, in selbst-induzierten und selektiv gewachsenen GaN Nanodraht-Proben, welche mit Molekularstrahlepitaxie hergestellt wurden. Die zeitaufgelösten Photolumineszenz (PL)-Experimente werden durch Simulationen ergänzt, welche auf Ratengleichungs-Modellen basieren. Es stellt sich heraus, dass die Populationen von freien und gebundenen Exzitonen gekoppelt sind und zwischen 10 und 300 K von einem nichtstrahlenden Kanal beeinflusst werden. Die Untersuchung von Proben mit unterschiedlichem Nanodraht-Durchmesser und Koaleszenzgrad zeigt, dass weder die Nanodraht-Oberfläche, noch Defekte als Folge von Koaleszenz diesen nichtstrahlenden Kanal induzieren. Daraus lässt sich folgern, dass die kurze Zerfallszeit von Exzitonen in GaN-Nanodrähten durch Punktdefekte verursacht wird, welche die IQE bei 10 K auf 20% limitieren. Der häufig beobachtete biexponentiellen PL-Zerfall des Donator-gebundenen Exzitons wird analysiert und es zeigt sich, dass die langsame Komponente durch eine Kopplung mit Akzeptoren verursacht wird. Motiviert durch Experimente, welche eine starke Abhängigkeit der PL-Intensität vom Nanodraht-Durchmesser zeigen, wird die externen Quanteneffizienz von geordneten Nanodraht-Feldern mit Hilfe numerischer Simulationen der Absorption und Extraktion von Licht in diesen Strukturen untersucht. / GaN nanowires (NWs) can be fabricated with a high structural perfection on various crystalline and amorphous substrates. They offer intriguing possibilities for both fundamental investigations of the GaN material system as well as applications in optoelectronic devices. Although prototype devices based on GaN NWs have been presented already, several fundamental questions remain unresolved to date. In particular, the internal quantum efficiency (IQE), an important basic figure of merit for optoelectronic applications, is essentially unknown for GaN NWs. This thesis presents a detailed investigation of the exciton dynamics in GaN NWs using continuous-wave and time-resolved photoluminescence (PL) spectroscopy. Spontaneously formed ensembles and ordered arrays of GaN NWs grown by molecular-beam epitaxy are examined. The experiments are combined with simulations based on the solution of rate equation systems to obtain new insights into the recombination dynamics in GaN NWs at low temperatures. In particular, the free and bound exciton states in GaN NWs are found to be coupled and affected by a nonradiative channel between 10 and 300 K. The investigation of samples with different NW diameters and coalescence degrees conclusively shows that the dominating nonradiative channel is neither related to the NW surface nor to coalescence-induced defects. Hence, we conclude that nonradiative point defects are the origin of the fast recombination dynamics in GaN NWs, and limit the IQE of the investigated samples to about 20% at cryogenic temperatures. We also demonstrate that the frequently observed biexponential decay for the donor-bound exciton originates from a coupling with the acceptor-bound exciton state in the GaN NWs. Motivated by an experimentally observed, strong dependence of the PL intensity of ordered GaN NW arrays on the NW diameter, we perform numerical simulations of the light absorption and extraction to explore the external quantum efficiency of these samples.

Während über hexagonales (alpha) GaN zum ersten Mal 1932 berichtet wurde, gelang erst 1989 die Synthese einer mit Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf 3C-SiC epitaktisch gewachsenen, metastabilen kubischen (eta) GaN Schicht. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Herstellung der Verbindungen eta-(In,Ga,Al)N mittels RF-Plasma unterstützter MBE auf GaAs(001) und den mikrostrukturellen sowie optischen Eigenschaften dieses neuartigen Materialsystems. Im Vergleich zur hexagonalen bietet die kubische Kristallstruktur auf Grund ihrer höheren Symmetrie potentielle Vorteile für die Anwendung in optischen und elektronischen Bauelementen. Viele wichtige Materialgrößen der kubischen Nitride sind jedoch noch gänzlich unbekannt, da sich die Synthese einkristalliner Schichten als sehr schwierig erweist. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher erstens, die technologischen Grenzen der Herstellung von bauelementrelevanten kubischen (In,Ga,Al)N Heterostrukturen auszuweiten und zweitens, einen Beitrag zur Aufklärung der bis dato wenig bekannten optischen und elektronischen Eigenschaften des GaN und der Mischkristalle In GaN zu leisten. Zunächst wird ein optimierter MBE Prozess unter Einsatz einer Plasmaquelle hohen Stickstofflusses vorgestellt, welcher nicht nur die reproduzierbare Epitaxie glatter, einphasiger GaN Nukleationsschichten auf GaAs ermöglicht. Vielmehr können damit auch dicke GaN. Schichten mit glatter Oberflächenmorphologie hergestellt werden, welche die Grundlage komplizierterer eta-(In,Ga,Al)N Strukturen bilden. An einer solchen GaN Schicht mit einer mittleren Rauhigkeit von nur 1.5 nm werden dann temperaturabhängige Reflexions- und Transmissionsmessungen durchgeführt. Zur Auswertung der Daten wird ein numerisches Verfahren entwickelt, welches die Berechnung des kompletten Satzes von optischen Konstanten im Spektralgebiet 2.0 = 0.4 wären grün-gelbe Laserdioden. Zusammenfassung in PostScript / While the earliest report on wurtzite (alpha) GaN dates back to 1932, it was not until 1989 that the first epitaxial layer of metastable zincblende (eta) GaN has been synthesized by molecular beam epitaxy (MBE) on a 3C-SiC substrate. The present work focuses on radio frequency (RF) plasma-assisted MBE growth, microstructure, and optical properties of the eta-(In,Ga,Al)N material system on GaAs(001). Due to their higher crystal symmetry, these cubic nitrides are expected to be intrinsically superior for (opto-) electronic applications than the widely employed wurtzite counterparts. Owing to the difficulties of obtaining single-phase crystals, many important material constants are essentially unknown for the cubic nitrides. The aim of this work is therefore, first, to push the technological limits of synthesizing device-relevant zincblende (In,Ga,Al)N heterostructures and, second, to determine the basic optical and electronic properties of GaN as well as to investigate the hardly explored alloy InGaN. An optimized MBE growth process is presented which allows not only the reproducible nucleation of smooth, monocrystalline GaN layers on GaAs using a high-nitrogen-flow RF plasma source. In particular, thick single-phase GaN layers with smooth surface morphology are obtained being a prerequisite for the synthesis of ternary eta-(Ga,In,Al)N structures. Temperature dependent reflectance and transmittance measurements are carried out on such a GaN film having a RMS surface roughness as little as 1.5 nm. A numerical method is developed which allows to extract from these data the complete set of optical constants for photon energies covering the transparent as well as the strongly absorbing spectral range (2.0 -- 3.8 eV). Inhomogeneities in the refractive index leading to finite coherence effects are quantitatively analyzed by means of Monte Carlo simulations. The fundamental band gap EG(T) of GaN is determined for 5 < T < 300 K and the room temperature density of states is investigated. Systematic studies of the band edge photoluminescence (PL) in terms of transition energies, lineshapes, linewidths, and intensities are carried out for both alpha- and GaN as a function of temperature. Average phonon energies and coupling constants, activation energies for thermal broadening and quenching are determined. Excitation density dependent PL measurements are carried out for both phases in order to study the impact of nonradiative recombination processes at 300 K. A recombination model is applied to estimate the internal quantum efficiency, the (non)radiative lifetimes, as well as the ratio of the electron to hole capture coefficients for both polytypes. It is seen that the dominant nonradiative centers in the n-type material investigated act as hole traps which, however, can be saturated at already modest carrier injection rates. In summary, despite large defect densities in GaN due to highly mismatched heteroepitaxy on GaAs, band edge luminescence is observed up to 500 K with intensities comparable to those of state-of-the-art alpha-GaN. For the first time, thick InGaN films are fabricated on which blue and green luminescence can be observed up to 400 K for x=0.17 and x=0.4, respectively. Apart from bulk-like InGaN films, the first coherently strained InGaN/GaN (multi) quantum wells with In contents as high as 50 % and abrupt interfaces are grown. This achievement shows that a ternary alloy can be synthesized in a metastable crystal structure far beyond the miscibility limit of its binary constituents despite the handicap of highly lattice mismatched heteroepitaxy. The well widths of these structures range between 4 and 7 nm and are thus beyond the theoretically expected critical thickness for the strain values observed. It is to be expected that even higher In contents can be reached for film thicknesses below 5 nm. The potential application of such InGaN/GaN multi quantum wells with x >= 0.4 would thus be diode lasers operating in the green-yellow range. abstract in PostScript

Dichte Ensembles aus GaN-Nanodrähten können in der Molekularstrahlepitaxie mithilfe eines selbstinduzierten Prozesses sowohl auf kristallinen als auch amorphen Substraten gezüchtet werden. Aufgrund der Natur selbstgesteuerter Prozesse ist dabei die Kontrolle über viele wichtige Ensembleparameter jedoch eingeschränkt. Die Arbeit adressiert genau diese Einschränkungen bei der Kristallzucht selbstinduzierter GaN-Nanodrähte. Konkret sind das Limitierungen bezüglich der Nanodraht-Durchmesser, die Nanodraht-Anzahl-/Flächendichte, der Koaleszenzgrad sowie die maximal realisierbare Wachstumstemperatur. Für jede dieser Einschränkungen werden Lösungen präsentiert, um die jeweilige Limitierung zu umgehen oder zu verschieben. Als Resultat wurde eine neue Klasse von GaN Nanodrähten mit bisher unerreichten strukturellen und optischen Eigenschaften geschaffen. Mithilfe eines Zwei-Schritt-Ansatzes, bei dem die Wachstumstemperatur während der Nukleationsphase erhöht wurde, konnte eine verbesserte Kontrolle über die Flächendichte, den Durchmesser und den Koaleszenzgrad der GaN-Nanodraht-Ensembles erreicht werden. Darüber hinaus werden Ansätze präsentiert, um die außerordentlich lange Inkubationszeit bei hohen Wachstumstemperaturen zu minimieren und damit wesentlich höhere Wachstumstemperaturen zu ermöglichen (bis zu 905°C). Die resulierenden GaN-Nanodraht-Ensembles weisen schmale exzitonische Übergänge mit sub-meV Linienbreiten auf, vergleichbar zu denen freistehender GaN-Schichten. Abschließend wurden Nanodrähte mit Durchmessern deutlich unterhalb von 10 nm fabriziert. Mithilfe eines Zersetzungsschrittes im Ultrahochvakuum direkt im Anschluss an die Wachstumsphase wurden reguläre Nanodraht-Ensembles verdünnt. Die resultierenden ultradünnen Nanodrähte weisen dielektrisches Confinement auf. Wir zeigen eine ausgeprägte exzitonische Emission von puren GaN-Nanodrähten mit Durchmessern bis hinab zu 6 nm. / In molecular beam epitaxy, dense arrays of GaN nanowires form spontaneously on crystalline as well as amorphous substrates. Due to the nature of spontaneous formation, the control over important parameters is limited. This thesis addresses the major limitations of spontaneous nanowire formation, namely the nanowire diameter, number density, and coalescence degree but also the maximum achievable growth temperature, and presents approaches to overcome the same. Thereby, we have fabricated a new class of nanowires with unprecedented structural and optical properties. We find that a two-step growth approach, where the substrate temperature is increased during the nucleation stage, is an efficient method to gain control over the area coverage, average diameter, and coalescence degree of GaN nanowire ensembles. Furthermore, we present growth approaches to minimize the long incubation time that precedes nanowire nucleation at elevated temperatures and to thus facilitate significantly higher growth temperatures (up to 905°C). The GaN nanowire ensembles grown at so far unexplored substrate temperatures exhibit excitonic transitions with sub-meV linewidths comparable to those of state-of-the-art free-standing GaN layers grown by hydride vapor phase epitaxy. Finally, we fabricate nanowires with diameters well below 10 nm, the lower boundary given by the nucleation mechanism of spontaneously formed nanowires. Here, regular nanowire arrays are thinned in a post-growth decomposition step in ultra-high vacuum. In situ monitoring the progress of decomposition using quadrupole mass spectrometry enables a precise control over the diameter of the thinned nanowires. These ultrathin nanowires show dielectric confinement, which is potentially much stronger than quantum confinement. We demonstrate intense excitonic emission from bare GaN nanowires with diameters down to 6 nm.