White light emitting diodes (LED) have drawn increasing attention due to their low energy consumption, high efficiency and potential to become primary lighting source by replacing conventional light sources. White light emission is usually generated either by coating yellow phosphor on a blue-LED or blending red, green and blue phosphor in an appropriate ratio. Maintaining appropriate proportions of individual components in the blend is difficult and the major demerit of such system is the overall self-absorption, which changes the solution concentration. This results in uncontrolled changes in the whiteness of the emitted light. Zinc Oxide (ZnO), a wide bandgap semiconductor with a large exciton binding energy at room temperature has been recognized as a promising material for ultraviolet LEDs and laser diodes. Tuning of structural, optical and electrical properties of ZnO thin films by different dopants (Lithium, Indium and Gallium) is dealt in this thesis. The achievement of white light emission from a semiconducting material without using phosphors offers an inexpensive fabrication technology, good luminescence, low turn-on voltage and high efficiency. The present work is organized chapter wise, which has 8 chapters including the summary and future work. Chapter 1: Gives a brief discussion on the overview of ZnO as an optoelectronic material, crystal structure of semiconductor ZnO, the effect of doping, optical properties and its possible applications in optoelectronic devices. Chapter 2: Deals with various deposition techniques used in the present study, includes pulsed laser deposition and thermal evaporation. The experimental set up details and the deposition procedures are described in detail. A brief note on the structural characterization equipments, namely X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and the optical characterization techniques namely Raman spectroscopy, transmission spectroscopy and photoluminescence (PL) spectroscopy is presented. The electrical properties of the films were studied by current- voltage, capacitance - voltage and Hall Effect measurements and the experimental details are discussed. Chapter 3: High quality ZnO/Si heterojunctions fabricated by growing ZnO thin films on p-type Si (100) substrate by pulsed laser deposition without using buffer layers are discussed in this chapter. The crystallinity of the heterojunction was analyzed by high resolution X-ray diffraction and atomic force microscopy. The optical quality of the film was analyzed by room temperature (RT) photoluminescence measurements. The high intense band to band emission confirmed the high quality of the ZnO thin films on Si. The electrical properties of the junction were studied by temperature dependent resistivity, current- voltage measurements and RT capacitance-voltage (C-V) analysis. ZnO thin film showed the lowest resistivity of 6.4x10-3 Ω.cm, mobility of 7 cm2/V.sec and charge carrier concentration of 1.58x1019cm-3 at RT. The charge carrier concentration and the barrier height (BH) were calculated to be 9.7x1019cm-3 and 0.6 eV respectively from the C-V plot. The BH and ideality factor, calculated by using the thermionic emission (TE) model were found to be highly temperature dependent. We observed a much lower value in Richardson constant, 5.19x10-7 A/cm2K2 than the theoretical value (32 A/cm2K2) for ZnO. This analysis revealed the existence of a Gaussian distribution (GD) with a standard deviation of σ2=0.035 V. By implementing GD to the TE, the values of BH and Richardson constant were obtained as 1.3 eV and 39.97 A/cm2K2 respectively from the modified Richardson plot. The obtained Richardson constant value is close to the theoretical value for n-ZnO. These high quality heterojunctions can be used for solar cell applications. Chapter 4: This chapter describes the structural and optical properties of Li doped ZnO thin films and the properties of ZnO/Li doped ZnO multilayered thin film structures. Thin films of ZnO, Li doped ZnO (ZLO) and multilayer of ZnO and ZLO (ZnO/ZLO) were grown on silicon and Corning glass substrates by pulsed laser deposition technique. Single phase formation and the crystalline qualities of the films were analyzed by X-ray diffraction and Li composition in the film was investigated to be 15 Wt % by X-ray photoelectron spectroscopy. Raman spectrum reveals the hexagonal wurtzite structure of ZnO, ZLO and ZnO/ZLO multilayer, confirms the single phase formation. Films grown on Corning glass show more than 80 % transmittance in the visible region and the optical band gaps were calculated to be 3.245, 3.26 and 3.22 eV for ZnO, ZLO and ZnO/ZLO respectively. An efficient blue emission was observed in all films that were grown on silicon (100) substrate by photoluminescence (PL). PL measurements at different temperatures reveal that the PL emission intensity of ZnO/ZLO multilayer was weakly dependent on temperature as compared to the single layers of ZnO and ZLO and the wavelength of emission was independent of temperature. Our results indicate that ZnO/ZLO multilayer can be used for the fabrication of blue light emitting diodes. Chapter 5: This chapter is divided in to two parts. The fabrication and characterization of In doped ZnO thin films grown on Corning glass substrate is discussed in the first section. Zinc Oxide (ZnO) and indium doped ZnO (IZO) thin films with different indium compositions were grown by pulsed laser deposition technique. The effect of indium concentration on the structural, morphological, optical and electrical properties of the film was studied. The films were oriented along the c-direction with wurtzite structure and are highly transparent with an average transmittance of more than 80 % in the visible wavelength region. The energy band gap was found to be decreasing with increasing indium concentration. High transparency makes the films useful as optical windows while the high band gap values support the idea that the film could be a good candidate for optoelectronic devices. The value of resistivity observed to be decreasing initially with doping concentration and subsequently increasing. The XPS and Raman spectrum confirm the presence of indium in indium doped ZnO thin films. The photoluminescence spectrum showed a tunable red light emission with different In concentrations. Undoped and In doped ZnO (IZO) thin films were grown on Pt coated silicon substrates (Pt/Si) to fabricate Pt/ZnO:Inx Schottky contacts (SC) is discussed in the second section. The SCs were investigated by conventional two probe current-voltage (I-V) measurement and by the I-V spectroscopy of conductive atomic force microscopy (C-AFM). X-ray diffraction technique was used to examine the thin film quality. Changes in various parameters like Schottky barrier height (SBH) and ideality factor (IF) as a function of temperature were presented. The estimated BH was found to be increasing and the IF was found to be decreasing with increase in temperature. The variation of SBH and IF with temperature has been explained by considering the lateral inhomogeneities in nanometer scale lengths at metal–semiconductor (MS) interface. The inhomogeneities of SBH in nanometer scale length were confirmed by C-AFM. The SBH and IF estimated from I-V spectroscopy of C-AFM showed large deviation from the conventional two probe I-V measurements. IZO thin films showed a decrease in SBH, lower turn on voltage and an enhancement in forward current with increase in In concentration. Chapter 6: In this chapter the properties of Ga doped ZnO thin films with different Ga concentrations along with undoped ZnO as a reference is discussed. Undoped and Ga doped ZnO thin films with different Ga concentrations were grown on Corning glass substrates by PLD. The structural, optical and electrical properties of Ga doped ZnO thin films are discussed. The XRD, XPS and Raman spectrum reveal the phase formation and successful doping of Ga on ZnO. All the films show good transmittance in the visible region and the photoluminescence of Ga doped ZnO showed a stable emission in the blue- green region. The resistivity of Ga doped ZnO thin films was found to be first decreasing and then increasing with increase in Ga concentrations. Chapter 7: The effect of co-doping to ZnO on the structural, optical and electrical properties was described in this chapter. Ga and In co-doped ZnO (GIZO) thin films together with ZnO, In doped ZnO (IZO), Ga doped ZnO (GZO), IZO/GZO multilayer for comparison, were grown on Corning glass and boron doped Si substrates by PLD. GIZO showed better structural, optical and electrical properties compared with other thin films. The Photoluminescence spectra of GIZO showed a strong white light emission and the current-voltage characteristics showed relatively lower turn on voltage and larger forward current. The CIE co-ordinates for GIZO were observed to be (0.31, 0.33) with a CCT of 6650 K, indicating a cool white light and established a possibility of white light emitting diodes. Finally the chapter 8 presents the summary derived out of the work and a few suggestions on future work.

Cette thèse porte sur la synthèse et la caractérisation de nouvelles phases d’oxydes multifonctionnels de la famille Ln2B2O7 avec Ln = lanthanide, B = Ti ; Zr. Ces oxydes présentent de nombreuses propriétés : photocatalytiques, ferroélectriques, piézoélectriques, de luminescence... Sous forme massive, des solutions solides (La1-xLnx)2Ti2O7 avec Ln = Pr à Lu et La2(Ti1-xZrx)2O7 ont été synthétisées par réaction solide-solide. L’étude portant sur la substitution du site Ln a permis de déterminer les limites de stabilité de la phase pérovskite en feuillets en fonction de la nature du lanthanide. Des analyses menées par spectrométrie Raman, ainsi que par spectrofluorimétrie ont mis en évidence des propriétés de luminescence dans les solutions solides (La1-xEux)2Ti2O7 et (La1-xTbx)2Ti2O7, suggérant ainsi la possibilité d’utiliser ces composés pour la fabrication de nouveaux systèmes luminophores. Des couches minces de Ln2Ti2O7 ont été élaborées par ablation laser pulsé, puis caractérisées par diffraction de rayons X haute résolution et par microscopie électronique à transmission haute résolution. Les nouvelles limites de stabilité des films minces à structure pérovskite en feuillets ont pu être déterminées dans le cas de dépôts réalisés sur des substrats de SrTiO3 et LaAlO3 orientés (100) et (110). Le caractère piézoélectrique/ferroélectrique des films de Ln2Ti2O7 cristallisés dans la phase α monoclinique a été confirmé à l’échelle locale par la microscopie à force piézoélectrique. Enfin, nous avons montré que la croissance épitaxiale d’un film de La2Zr2O7 déposé sur SrTiO3-(110) pouvait conduire à l'existence de la ferroélectricité en raison d'une structure pyrochlore géométriquement frustrée et la perte de la symétrie cubique. Ces résultats prometteurs font de ces composés Ln2B2O7 des candidats de premier choix en vue du développement de nouvelles phases oxydes multifonctionnelles. De plus, l’absence de plomb au sein de ces structures, ainsi que leur formidable résistance à la température et à l’irradiation ouvrent des perspectives intéressantes quant à l’utilisation de ces matériaux dans les équipements électroniques et en milieux extrêmes. / This thesis focuses on the synthesis and characterization of new multifunctional Ln2B2O7 oxides phases with Ln = lanthanide, B = Ti, Zr. These oxides possess many properties, including photocatalysis, ferroelectricity, piezoelectricity and luminescence. In bulk form, solid solutions of (La1-xLnx)2Ti2O7 with Ln = Pr to Lu and La2(Ti1-xZrx)2O7 were synthesis by solid-solid reaction. Study on the Ln site substitution highlighted the limits of stability of the layered perovskite depending on the nature of the lanthanide. Analysis carried out by Raman spectroscopy and spectrofluorimetry also permit the detection of luminescence in (La1-xEux)2Ti2O7 and (La1-xTbx)2Ti2O7 solid solutions, suggesting the possibility to use such compounds for fabrication of new phosphor systemes. Ln2Ti2O7 thin films were grown by pulsed laser deposition, and characterized by high resolution X-rays diffraction and high resolution transmission electron microscopy. The new limits of stability of films with layeredperovskite structure have been determined in the case of samples grown on (100)- and (110)-oriented SrTiO3 and LaAlO3 substrates. The piezoelectric/ferroelectrique properties of Ln2Ti2O7 thin films crystallized in the monoclinic α phase were confirmed at the local level by piezoelectric force microscopy measurements. Finally, we have shown the the epitaxial growth of La2Zr2O7 films deposited on (110)-oriented SrTiO3 substrate can induce ferroelectricity for geometrically frustrated pyrochlore structure with the loss of cubic symmetry. These interesting results make Ln2B2O7 compounds promising candidates for the development of new multifunctional oxides. Moreover, the absence of lead in these structures and their resistance to the temperature and irradiation open interesting perspectives for the use of such materials in electronic equipments and in extreme environments.

Cette thèse concerne la réalisation des films minces d’oxydes et l’étude de leurs propriétés physiques pour les cellules photovoltaïques (PV) et les modules thermoélectriques. Dans une première partie, les propriétés de l’oxyde de titane TiOx (1,45<x<2) sont mises en évidence pour une utilisation en tant qu’oxyde transparent conducteur optiquement actif à disposer en face avant des cellules PV ou, comme couche de couplage optique à intercaler entre le métal réflecteur et la couche absorbante d’une cellule PV. Les couches sont déposées par ablation laser pulse (PLD). Cette méthode permet d’obtenir des couches stoechiométriques ou déficitaires en oxygène grâce au contrôle de la pression d’oxygène pendant le dépôt. Les couches sont dopées par Nb pour un gain en conductivité électrique et/ou par Nd pour la conversion des photons UV en photons du Proche IR. Les films d’une part, isolants, transparents et luminescents ou d’autre part, conducteurs et absorbants ont été obtenus. La présence de polarons et/ou de bipolarons dans les couches TiO₁,₄₅₋₁,₆₀ explique la discontinuité observée sur leurs courbes de thermoconductivité. Une seconde partie du manuscrit concerne la thermoelectricité ou il est question de modifier les propriétés des cobaltites de calcium pour la conversion en énergie électrique des gradients de température faibles, centres autour de 300-365 K. Le contrôle de la concentration en oxygène des films a permis d’obtenir les phases polymorphes CaxCoO₂, Ca₃Co₄O₉, et Ca₃Co₄O₆,₄₋₆,₈ présentant des comportements semiconducteurs ou métalliques en fonction de la température de dépôt. Les films Ca₃Co₄O₆,₄₋₆,₈ montrent de faibles résistivités (3,8-6 mΩ.cm) et des coefficients de Seebeck élevés (S) ≥ 1000 μV/K qui doivent être confirmes pour que de tels films soient utilisés dans les thermogénérateurs. / This thesis concerns the realization of oxide thin films and the study of their properties for photovoltaic or thermoelectric devices. In the first part, the TiOx properties are studied for use as an optically active transparent conductive oxide to put in front of the PV cells or, as optical coupling layer to interpose between the metal reflector and the absorbent layer of a PV cell. The layers are deposited by pulsed laser deposition (PLD). This method allows to get stoichiometric or oxygen deficient layers by controlling the oxygen partial pressure during the growth. The layers are doped with Nb to enhance electrical conductivity and/or with Nd for the conversion of Ultra-Violet photons to Near Infra-Red photons. Insulating and transparent layers, luminescent layers or conducting and absorbent layers are obtained. The TiO₁,₄₅₋₁,₆₀ films show polaronic or bipolaronic conductivity and exhibited the jump of electrical conductivity with jump height and temperature depending on the nature of the dopants. A second part of the manuscript concerns thermoelectricity in which the properties of cobalt calcium oxide are modulated for an efficient conversion of low temperature gradients centered at 300-365K. The control of the oxygen concentration of films allows to obtain the polymorphic phases CaxCoO₂,Ca₃Co₄O₉ and Ca₃Co₄O₆,₄₋₆,₈ having metallic or semiconducting behavior depending on the deposition temperature. The Ca₃Co₄O₆,₄₋₆,₈ films show high Seebeck coefficients (S) ≥ 1 000 μV/K and low electrical resistivity (3.8 to 6 mΩ.cm). Such interesting values have to be confirmed by additional experiments in order to be used as thermoelectric films.

L'environnement radiatif spatial est composé d'une grande diversité de particules dans un spectre en énergie très large. Parmi les effets affectant les composants électroniques, on distingue les effets cumulatifs et les effets singuliers transitoires analogiques (ASET). Les effets cumulatifs correspondent à une dégradation continue des paramètres électriques du composant induits par un dépôt d'énergie à faible débit de dose tout au long de la mission spatiale. Les ASETs sont eux causés par le passage d'une particule unique traversant une zone sensible du composant et engendrant une impulsion de tension transitoire qui se propage à la sortie de l'application. Au cours des tests au sol, les deux effets sont étudiés séparément, mais ils se produisent simultanément en vol. Il se produit donc un effet de synergie, induit par la combinaison de la dose et de l'apparition soudaine d'un ASET dans le dispositif préalablement irradié.Une étude de l'effet de synergie dose-ASET est proposée. Pour accélérer les irradiations, une technique connue sous le nom de « méthode de commutation de débit de dose » (DRS) prenant en compte la sensibilité accrue au faible débit de dose (ELDRS) est utilisée. Un modèle haut niveau est développé en utilisant l'analyse circuit permettant de prédire l'effet de synergie observé sur un amplificateur opérationnel à trois étages. Pour prédire l'effet de synergie, l'effet de dose est pris en compte en faisant varier les paramètres décrivant le modèle suivant une loi de variation déduite de la dégradation du courant d'alimentation qui est couramment enregistré au cours des essais industriels. Enfin, les effets transitoires des radiations sur l'électronique (TREEs) induits par un environnement de très fort débit de dose de rayons X pulsés ainsi que l'effet de synergie dose-TREE sont étudiés à l'aide d'un générateur de Flash-X. La méthode classique d'analyse des ASETs permet alors d'expliquer la forme des impulsions transitoires observées. / The natural radiative space environment is composed by numerously particles in a very large energy spectrum. From an electronics component point of view, it is possible to distinguish cumulative effects and so-called Analog Single Event Transient effects (ASET). Cumulative effects correspond to continuous deterioration of the electrical parameters of the component, due to a low dose rate energy deposition (Total Ionizing Dose: TID) throughout the space mission. ASETs are caused by a single energetic particle crossing a sensitive area of the component inducing a transient voltage pulse that occurs at the output of the application. During ground testing, both effects are studied separately but happen simultaneously in flight. As a result a synergy effect, induced by the combination of the low dose rate energy deposition and the sudden occurrence of an ASET in the device previously irradiated, occurs. A study of dose-ASET synergistic effects is proposed using an accelerated irradiation test technique known as Dose Rate Switching method (DRS) tacking into account the concern of the Enhanced Low Dose Rate Sensitivity (ELDRS). A High Level Model is developed using circuit analysis to predict the synergy effect observed on a three stages operational amplifier. To predict synergy effect, the TID effect is taken into account by varying the model parameters following a variation law deduced from the degradation of the supply current which recorded during usual industrial TID testing. Finally, the Transient Radiation Effects on Electronics (TREE) phenomena induced by a Very High Dose Rate X-ray pulse environment and the dose-TREE synergy effect are then investigated using an X-ray flash facility. The classical ASETs methodology analysis can explain the shapes of transients observed.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Schottky-Kontakten auf halbleitenden Zinkoxid- und β-Galliumoxid-Dünnfilmen. Nach einer kurzen Einführung in die verwendeten Materialsysteme und die Theorie von Schottky-Kontakten werden die Eigenschaften von verschiedenartig hergestellten Schottky-Kontakten auf Zinkoxid aufgezeigt. Dazu werden typischerweise Strom-Spannungs- und Kapazitäts-Spannungs-Messungen genutzt. Für die Zinkoxid-basierten Schottky-Kontakte konnte anhand verschiedenartig hergestellter Schottky-Kontakte gezeigt werden, dass deren Barrierenformation maßgeblich von Sauerstoffvakanzen nahe der Metall-Halbleiter-Grenzfläche beeinflusst wird. Zur Realisierung von Galliumoxid-basierten Schottky-Kontakten wurden zunächst die Eigenschaften von undotierten und Silizium-dotierten Galliumoxid-Dünnfilmen untersucht. Diese Dünnfilme sind mittels gepulster Laserabscheidung auf c-plane Saphir hergestellt. Als Prozessparameter sind in dieser Arbeit die Wachstumstemperatur, der Sauerstoffpartialdruck in der Kammer und der Silizumgehalt bspw. in Bezug auf Leitfähigkeit, Oberflächenmorphologie oder Kristallinität zur Realisierung von Schottky-Kontakten optimiert. Auf diesen Dünnfilmen wurden mit verschiedenen Herstellungsverfahren, wie thermischer Verdampfung, (reaktiver) Kathodenzerstäubung oder (reaktiver) Distanz-Kathodenzerstäubung, Metall- bzw. Metalloxid-Schottky-Kontakte aufgebracht. Dabei werden unter anderem die elektrischen Eigenschaften direkt nach der Herstellung und deren Entwicklung im weiteren zeitlichen Verlauf untersucht. Des Weiteren werden die Temperaturstabilität oder aber die Spannungsstabilität der Schottky-Kontakte studiert. Ein Vergleich zu Schottky-Kontakten auf β-Galliumoxid-Volumenmaterial wird anhand mittels reaktiver Distanz-Kathodenzerstäubung hergestellter Platinoxid-Dioden durchgeführt.

[pt] A pandemia da COVID-19 instaurou inúmeras pesquisas sobre a doença, a qual foi atribuída à tempestade de citocinas. Embora, as vacinas sejam eficazes para combater a disseminação da COVID-19 e, recentemente, tenha sido aprovado pela ANVISA (Agência Nacional de Vigilância Sanitária) o fármaco antiviral Paxlovid (Trade Mark), no tratamento da COVID-19, estudos sobre formas de tratamento ainda são necessários. Dentre as novas estratégias terapêuticas, a utilização de nanopartículas de ouro (AuNPs) tem se destacado devido o potencial efeito antiinflamatório. O objetivo deste trabalho foi estudar as eventuais propriedades antiinflamatórias das AuNPs, sintetizadas por ablação a laser pulsado (PLA) em água, em macrófagos RAW 264.7. Ademais, o presente trabalho visou investigar a possível ligação entre o efeito imunomodulador das nanopartículas e os produtos secundários obtidos através da reação de redução da CO2 (CO2RR) ativada por PLA em água. Nesse sentido, foram analisados a proliferação, a citotoxicidade, os níveis das espécies reativas de oxigênio (EROs) e das espécies reativas de nitrogênio (ERNs) nos macrófagos RAW 264.7 submetidas ao tratamento com as AuNPs e expostas ao lipopolissacarídeo (LPS), o qual foi utilizado como agente precursor do processo inflamatório. Em conclusão, os resultados apontaram que AuNPs na concentração de 10 (micro)g/mL não tiveram caráter citotóxico e diminuíram as EROs e ERNs. As AuNPs demonstraram promissora atividade antiinflamatórias com reduzidos valores de citotoxicidade, o que aponta para uma futura aplicação clínica. / [en] With the advent of the COVID-19 pandemic, numerous studies on the disease were initiated, a disease originated from a cytokine storm. Although vaccines are effective in combating the spread of COVID-19 and, more recently, the antiviral drug Paxlovid (Trade Mark) has been approved by ANVISA (Brazilian Health Regulatory Agency) for the treatment of COVID-19, studies on forms of treatment are still needed. Among the new therapeutic strategies, the use of gold nanoparticles (AuNPs) has been in the spotlight due to their potential antiinflammatory effect. This work aims to study the potential anti-inflammatory properties of AuNPs, synthesized by pulsed laser ablation (PLA) in water, in RAW 264.7 macrophages. Furthermore, the present work aimed to investigate the possible connection between the immunomodulatory effect of the nanoparticles and the secondary products obtained through the CO2 reduction reaction (CO2RR) activated by PLA in water. In this sense, we analyzed the proliferation, cytotoxicity, levels of reactive oxygen species (ROS) and reactive nitrogen species (RNS) in RAW 264.7 macrophages subjected to treatment with AuNPs and exposed to lipopolysaccharide (LPS), which was used as a precursor agent of the inflammatory process. In conclusion, the results showed that the AuNPs at a concentration of 10 (micro)g/mL did not have a cytotoxic character and reduced ROS and RNS. AuNPs demonstrated promising anti-inflammatory activity with reduced cytotoxicity values, which points to future clinical applications.

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.

In dieser Arbeit werden die Auswirkungen epitaktischer Dehnung auf die Eigenschaften ferromagnetischer und ferroelektrischer Perowskitschichten untersucht. Dazu wird der biaxiale Dehnungszustand einer Schicht reversibel verändert, indem einkristalline piezoelektrische Pb(Mg1/3Nb2/3)0.72Ti0.28O3 (001) Substrate (PMN-PT) verwendet werden. Ergänzt werden die Messungen mit dieser “dynamischen” Methode durch Untersuchungen an statisch gedehnten Schichten, gewachsen auf LaAlxSc1-xO3-Pufferschichten mit gezielt abgestimmter Gitterfehlpassung. Drei verschiedene Materialsysteme werden studiert: die ferromagnetischen Oxide La0.8Sr0.2CoO3 und SrRuO3 und das ferroelektrische Pb(Zr,Ti)O3. Für La0.8Sr0.2CoO3 wird ein dehnungsinduzierter Übergang von der bekannten ferromagnetischen Phase zu einer magnetisch weniger geordneten, spinglasartigen Phase nachgewiesen. Es ergeben sich keine Hinweise auf eine Beeinflussung des Co-Spinzustandes. In epitaktischen SrRuO3-Schichten bewirkt eine Zugdehnung einen strukturellen Phasenübergang von der orthorhombischen Bulk-Phase zu einer out-of-plane orientierten tetragonalen Phase. Die leichte Richtung liegt in der Ebene. Reversible Dehnungsmessungen zeigen einen deutlichen Einfluss auf die ferromagnetische Ordnungstemperatur und deuten auf eine geringe Veränderung des magnetischen Moments hin. Der Dehnungseffekt auf die elektrischen Transporteigenschaften wird bestimmt. Pb(Zr,Ti)O3 wird als ferroelektrisches Standardmaterial genutzt, um erstmalig den Einfluss biaxialer Dehnung auf das ferroelektrische Schaltverhalten dünner Schichten zu untersuchen. Für kleine elektrische Felder zeigen die Messungen das typische Verhalten einer gepinnten Domänenwandbewegung. Hier wird der Schaltvorgang unter Piezokompression stark beschleunigt. Werden an die elektrischen Kontakte größere elektrische Felder angelegt, geht die Domänenwandbewegung in das Depinning-Regime über. Die Schaltkinetik wird in diesem Bereich unter Piezokompression leicht verlangsamt. / In this work, the effect of epitaxial strain on the properties of ferromagnetic and ferroelectric perovskite thin films is studied. Single-crystalline piezoelectric Pb(Mg1/3Nb2/3)0.72Ti0.28O3 (001) substrates (PMN-PT) are utilized to reversibly change the biaxial strain state of the films. The measurements performed by this “dynamic” approach are complemented by studying statically strained films grown on LaAlxSc1-xO3 buffer layers with deliberately tuned lattice misfit. Three different material systems are investigated: the ferromagnetic oxides La0.8Sr0.2CoO3 and SrRuO3 and the ferroelectric compound Pb(Zr,Ti)O3. In case of La0.8Sr0.2CoO3 a strain-induced transition from the known ferromagnetic phase to a magnetically less ordered spinglas-like phase is observed. No indications for an effect on the Co spin state are found. In epitaxial SrRuO3 films tensile strain is causing a structural phase transition from the bulk-like orthorhombic structure to an out-of-plane oriented tetragonal phase. The magnetic easy axis is in the film plane. Reversible strain experiments show a significant effect on the ferromagnetic ordering temperature and point to a small change of the magnetic moment. The strain effect on the electric transport properties is also determined. Pb(Zr,Ti)O3 as a standard ferroelectric material is used to study the influence of biaxial strain on the ferroelectric switching behaviour of thin films for the first time. At small electric fields the measurements reveal the typical signs of creep-like domain wall motion caused by wall pinning. In this regime the switching process is accelerated strongly under piezo-compression. For higher electric fields a transition of the domain wall motion to the depinning regime is observed. Here, the switching kinetics is slowed down moderately by compressive strain.

In dieser Arbeit werden die Auswirkungen epitaktischer Dehnung auf die Eigenschaften ferromagnetischer und ferroelektrischer Perowskitschichten untersucht. Dazu wird der biaxiale Dehnungszustand einer Schicht reversibel verändert, indem einkristalline piezoelektrische Pb(Mg1/3Nb2/3)0.72Ti0.28O3 (001) Substrate (PMN-PT) verwendet werden. Ergänzt werden die Messungen mit dieser “dynamischen” Methode durch Untersuchungen an statisch gedehnten Schichten, gewachsen auf LaAlxSc1-xO3-Pufferschichten mit gezielt abgestimmter Gitterfehlpassung. Drei verschiedene Materialsysteme werden studiert: die ferromagnetischen Oxide La0.8Sr0.2CoO3 und SrRuO3 und das ferroelektrische Pb(Zr,Ti)O3. Für La0.8Sr0.2CoO3 wird ein dehnungsinduzierter Übergang von der bekannten ferromagnetischen Phase zu einer magnetisch weniger geordneten, spinglasartigen Phase nachgewiesen. Es ergeben sich keine Hinweise auf eine Beeinflussung des Co-Spinzustandes. In epitaktischen SrRuO3-Schichten bewirkt eine Zugdehnung einen strukturellen Phasenübergang von der orthorhombischen Bulk-Phase zu einer out-of-plane orientierten tetragonalen Phase. Die leichte Richtung liegt in der Ebene. Reversible Dehnungsmessungen zeigen einen deutlichen Einfluss auf die ferromagnetische Ordnungstemperatur und deuten auf eine geringe Veränderung des magnetischen Moments hin. Der Dehnungseffekt auf die elektrischen Transporteigenschaften wird bestimmt. Pb(Zr,Ti)O3 wird als ferroelektrisches Standardmaterial genutzt, um erstmalig den Einfluss biaxialer Dehnung auf das ferroelektrische Schaltverhalten dünner Schichten zu untersuchen. Für kleine elektrische Felder zeigen die Messungen das typische Verhalten einer gepinnten Domänenwandbewegung. Hier wird der Schaltvorgang unter Piezokompression stark beschleunigt. Werden an die elektrischen Kontakte größere elektrische Felder angelegt, geht die Domänenwandbewegung in das Depinning-Regime über. Die Schaltkinetik wird in diesem Bereich unter Piezokompression leicht verlangsamt.:1 Einführung 1.1 Motivation 1.2 Methodik 1.3 Übersicht 2 Probenherstellung und -charakterisierung 2.1 Gepulste Laserdeposition 2.1.1 Prinzip 2.1.2 Aufbau 2.1.3 RHEED 2.1.4 Optimierung des Schichtwachstums 2.1.5 Targets 2.1.6 Substrate 2.2 Röntgendiffraktion 2.2.1 Röntgenmethoden 2.2.2 Röntgenreflektometrie 2.3 SQUID-Magnetometrie 2.4 Rasterkraftmikroskopie 2.5 Transportmessungen 2.6 Elektrische Polarisationsmessungen 3 PMN-PT 3.1 PMN-PT als piezoelektrisches Dünnschicht-Substrat 3.2 PMN-PT als Piezoaktuator 3.3 Temperaturabhängigkeit der Piezodehnung 3.4 Dehnungsübertragung in die Schicht 4 Puffersysteme 4.1 Motivation 4.2 LaAlxSc1−xO3 4.3 BaxSr1−xTiO3 5 Dehnungseinfluss auf ferromagnetische Filme - La0.8Sr0.2CoO3 5.1 Grundlagen zu La1−xSrxCoO3 5.1.1 Struktur 5.1.2 Spinzustand 5.1.3 Magnetische Wechselwirkungen / Doppelaustausch 5.1.4 Phasendiagramm / magnetische Phasenseparation 5.2 Messungen 5.2.1 Gitter- und Mikrostruktur 5.2.2 Curie-Temperatur 5.2.3 Magnetoelastischer Effekt 5.2.4 Magnetisierungsschleifen 5.2.5 elektrischer Transport 5.3 Zusammenfassung und Ausblick 6 Dehnungseinfluss auf ferromagnetische Filme - SrRuO3 6.1 Grundlagen zu SrRuO3 6.1.1 Struktur 6.1.2 Magnetismus 6.1.3 Elektrischer Transport 6.2 Messungen 6.2.1 Gitter- und Mikrostruktur 6.2.2 Magnetismus 6.2.3 Elektrischer Transport 6.3 Zusammenfassung und Ausblick 7 Dehnungseinfluss auf ferroelektrische Filme - PbZr1−xTixO3 7.1 Grundlagen 7.1.1 PbZr1−xTixO3 7.1.2 Elektrische Polarisation 7.1.3 Koerzitivfeld 7.1.4 Domänendynamik 7.2 Messungen 7.2.1 Gitterstruktur 7.2.2 Standardcharakterisierung: Dehnungseinfluss auf die remanente Polarisation Pr und das Koerzitivfeld EC 7.2.2.1 Statische Messungen 7.2.2.2 Dehnungsmessungen 7.2.3 PUND-Messungen: Dehnungseinfluss auf die charakteristische Schaltzeit tsw 7.3 Zusammenfassung und Ausblick 8 Zusammenfassung / In this work, the effect of epitaxial strain on the properties of ferromagnetic and ferroelectric perovskite thin films is studied. Single-crystalline piezoelectric Pb(Mg1/3Nb2/3)0.72Ti0.28O3 (001) substrates (PMN-PT) are utilized to reversibly change the biaxial strain state of the films. The measurements performed by this “dynamic” approach are complemented by studying statically strained films grown on LaAlxSc1-xO3 buffer layers with deliberately tuned lattice misfit. Three different material systems are investigated: the ferromagnetic oxides La0.8Sr0.2CoO3 and SrRuO3 and the ferroelectric compound Pb(Zr,Ti)O3. In case of La0.8Sr0.2CoO3 a strain-induced transition from the known ferromagnetic phase to a magnetically less ordered spinglas-like phase is observed. No indications for an effect on the Co spin state are found. In epitaxial SrRuO3 films tensile strain is causing a structural phase transition from the bulk-like orthorhombic structure to an out-of-plane oriented tetragonal phase. The magnetic easy axis is in the film plane. Reversible strain experiments show a significant effect on the ferromagnetic ordering temperature and point to a small change of the magnetic moment. The strain effect on the electric transport properties is also determined. Pb(Zr,Ti)O3 as a standard ferroelectric material is used to study the influence of biaxial strain on the ferroelectric switching behaviour of thin films for the first time. At small electric fields the measurements reveal the typical signs of creep-like domain wall motion caused by wall pinning. In this regime the switching process is accelerated strongly under piezo-compression. For higher electric fields a transition of the domain wall motion to the depinning regime is observed. Here, the switching kinetics is slowed down moderately by compressive strain.:1 Einführung 1.1 Motivation 1.2 Methodik 1.3 Übersicht 2 Probenherstellung und -charakterisierung 2.1 Gepulste Laserdeposition 2.1.1 Prinzip 2.1.2 Aufbau 2.1.3 RHEED 2.1.4 Optimierung des Schichtwachstums 2.1.5 Targets 2.1.6 Substrate 2.2 Röntgendiffraktion 2.2.1 Röntgenmethoden 2.2.2 Röntgenreflektometrie 2.3 SQUID-Magnetometrie 2.4 Rasterkraftmikroskopie 2.5 Transportmessungen 2.6 Elektrische Polarisationsmessungen 3 PMN-PT 3.1 PMN-PT als piezoelektrisches Dünnschicht-Substrat 3.2 PMN-PT als Piezoaktuator 3.3 Temperaturabhängigkeit der Piezodehnung 3.4 Dehnungsübertragung in die Schicht 4 Puffersysteme 4.1 Motivation 4.2 LaAlxSc1−xO3 4.3 BaxSr1−xTiO3 5 Dehnungseinfluss auf ferromagnetische Filme - La0.8Sr0.2CoO3 5.1 Grundlagen zu La1−xSrxCoO3 5.1.1 Struktur 5.1.2 Spinzustand 5.1.3 Magnetische Wechselwirkungen / Doppelaustausch 5.1.4 Phasendiagramm / magnetische Phasenseparation 5.2 Messungen 5.2.1 Gitter- und Mikrostruktur 5.2.2 Curie-Temperatur 5.2.3 Magnetoelastischer Effekt 5.2.4 Magnetisierungsschleifen 5.2.5 elektrischer Transport 5.3 Zusammenfassung und Ausblick 6 Dehnungseinfluss auf ferromagnetische Filme - SrRuO3 6.1 Grundlagen zu SrRuO3 6.1.1 Struktur 6.1.2 Magnetismus 6.1.3 Elektrischer Transport 6.2 Messungen 6.2.1 Gitter- und Mikrostruktur 6.2.2 Magnetismus 6.2.3 Elektrischer Transport 6.3 Zusammenfassung und Ausblick 7 Dehnungseinfluss auf ferroelektrische Filme - PbZr1−xTixO3 7.1 Grundlagen 7.1.1 PbZr1−xTixO3 7.1.2 Elektrische Polarisation 7.1.3 Koerzitivfeld 7.1.4 Domänendynamik 7.2 Messungen 7.2.1 Gitterstruktur 7.2.2 Standardcharakterisierung: Dehnungseinfluss auf die remanente Polarisation Pr und das Koerzitivfeld EC 7.2.2.1 Statische Messungen 7.2.2.2 Dehnungsmessungen 7.2.3 PUND-Messungen: Dehnungseinfluss auf die charakteristische Schaltzeit tsw 7.3 Zusammenfassung und Ausblick 8 Zusammenfassung

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.