Universität Stuttgart
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Item Open Access Microscopic calculation of line tensions(2008) Merath, Rolf-Jürgen Christian; Dietrich, Siegfried (Prof. Dr.)In this work the line tension has been determinded with molecular resolution, which in this context marks the forefront of research. A semi-microscopic line tension theory based on the sharp-kink approximation has been further developed. The sharp-kink results concerning wetting and line tension behavior deviate considerably from the fully microscopic results. A hybrid line tension theory has been introduced, which employs an improved effective interface potential for the SK line tension calculation. For most of the studied cases the results from this hybrid method describe the fully microscopic line tension values semi-quantitatively. However, for a tailored system with relatively strong spatial variations of the substrate potential and of the solid-liquid interfacial density the hybrid method fails and does not predict the correct order of magnitude of the line tension values. Hence in general the fully microscopic approach is required, if one is interested in quantitatively reliable line tension values or/and if the validity of the hybrid method for the considered system has not been checked. The calculation of the line tension of a liquid wedge is an important contribution for understanding the shape of very small droplets (below the micrometer range). Furthermore a proposal is given, how axisymmetric sessile droplets can be addressed efficiently within DFT.Item Open Access Ambient pressure oxidation of Ag(111) surfaces : an in-situ X-ray study(2008) Reicho, Alexander; Dosch, Helmut (Prof. Dr.)The oxidation of metals plays an outstanding role in everyday life. Typical phenomena are the formation of rust on steel or oxide scales on copper, showing up as a green patina. The formation of metal oxides is not always an unwanted process. The functionality of many materials is directly related to their controlled oxidation. The most prominent examples are passivating oxide layers on stainless steel. Relevant for this thesis are industrially applied heterogeneous catalytic reactions for the synthesis of many chemical products, where gaseous reactants are in contact with the solid surface of the catalyst. Oxidation reactions are very important in this context, leading to a big need of understanding of these processes in research and development. Thereby, the active oxygen species on the surface and selectivity and poisoning of the catalyst have to be studied on an atomic scale. The high temperature and high pressure oxidation of the 4d transition metals Ru, Rh, Pd and Ag is a matter of particular interest, because these metals are widely used as oxidation catalysts. On Ruthenium one observes the formation of RuO2(110) bulk oxide islands at elevated temperatures and oxygen pressure. In the case of the Pd(100) and Rh(111) surface oxidation can lead to the formation of so-called surface oxides. These oxides are structurally related to the bulk oxide of the respective element. Furthermore, surface oxides are ultra thin oxides containing one metallic layer surrounded by two oxygen layers, giving rise to an oxygen-metal-oxygen sequence perpendicular to the surface plane. A future vision is to get a direct microscopic control of the emerging surface structures and ultimately of the real-time oxidation/reduction dynamics allowing one to tailor such catalytic reactions to better performance. A necessary prerequisite to the microscopic control is the full atomistic understanding of the surface structures which form at high temperature and at high oxygen pressures. Silver plays a unique role in heterogeneous catalysis. Supported Ag catalysts are used for the selective oxidation ('epoxidation') of ethylene and for the partial oxidation of methanol to formaldehyde. Ethylene oxide and its derivates are basic chemicals for industry, used in a many technologies with a world-wide production of more than 10 million tons as in medicine for disinfection, sterilization, or fumigation, or in transport and energy technologies for engine antifreeze and heat transfer. Because of its ability to kill most bacteria, formaldehyde is extensively used as disinfectant and as preservative in vaccinations. Therefore, the optimisation of these two Ag-supported catalytic reactions is of paramount importance. Current strategies employed in the industrial process to enhance selectivity include the empirical use of inhibitors (Cl) and promoters (Cs), however, on the way to a knowledge-based control of these reactions one has first to understand the surface structure of oxidized silver under relevant conditions in full detail. The formation of extended Ag(111) facets is observed on polycrystalline silver during the above industrial catalytic oxidation reactions, in turn fundamental research (experiment and theory) has been devoted to the detailed understanding of oxidation of this surface. The formation of an oxygen induced p(4x4) reconstruction on the Ag(111) surface is known since the early 70s. A surface oxide trilayer model, based on a three-layer slab of Ag2O(111), was proposed. Accordingly, the Ag(111) surface seemed to show a similar behaviour like Pd and Rh, being neighbours in the periodic table. Further theoretical calculations predicted the stability of this reconstruction under industrially relevant conditions. Nevertheless, several questions remained unsolved: the stability of the p(4x4) reconstruction under industrially relevant conditions was not checked experimentally, the structural model of the p(4x4) structure was not proven by a crystallographic method and previously unknown structures might play an important role for the catalytic activity of Ag(111) facets. Our experimental approach is based on the nowadays routinely available highly brilliant x-ray radiation produced by third generation synchrotron light sources. This radiation is used by us in three surface sensitive x-ray techniques. In-situ surface x-ray diffraction (SXRD) allows the identification and determination of structural models of surface reconstructions under industrially relevant conditions. This technique is combined with high resolution core level spectroscopy (HRCLS) and normal incidence x-ray standing wave absorption (NIXSW), giving insight into the local binding geometry of the oxygen and silver atoms.Item Open Access Modellierung der Adhäsion und Deformation von Mikrokapseln(2007) Graf, Peter; Seifert, Udo (Prof. Dr.)Mikrokapseln spielen eine wichtige Rolle beim Einschluß und der kontrollierten Freisetzung von Substanzen sowohl in industriellen Anwendungen als auch in der Medizin und den Biowissenschaften. Sie dienen ebenso als Modellsysteme für biologische Objekte wie Zellen oder Viruskapseln. Bei vielen dieser Anwendungen sind gute Kenntnisse über die mechanischen Eigenschaften nötig. Typischerweise wird die Kapsel zu diesem Zweck verformt und die dazu benötigten Kräfte werden gemessen. Die Deformation kann auf verschiedene Arten hervorgerufen werden, z. B. durch Adhäsion, äußere Kräfte oder Druckunterschiede zwischen der Innen- und Außenseite der Kapsel. In Experimenten wurde der Adhäsionsradius der Kapsel oder die zum Zusammendrücken der Kapsel benötigte Kraft gemessen. In der vorliegenden Dissertation wird die Adhäsion von Mikrokapseln und die Deformation durch äußere Kräfte auf theoretischem Wege untersucht. Es wird mit Mitteln der Elastizitätstheorie ein Modell entwickelt, mit dem sich die Deformation der Kapsel in Abhängigkeit von den angreifenden Kräften beschreiben läßt. In einer systematischen Untersuchung werden die Vorhersagen des Modells mit experimentellen Daten verglichen, um daraus die elastischen Parameter zu extrahieren.Item Open Access Funktionalmethoden und Abbildungen dissipativer Quantensysteme(2007) Baur, Holger; Weiß, Ulrich (Prof. Dr.)Im ersten Abschnitt dieser Arbeit versuchen wir, die algebraische Struktur, welche im Rahmen der dissipativen Quantenmechanik unter Verwendung des Influenzfunktionals auftritt, herauszuarbeiten. Dies erlaubt uns einen tieferen Einblick in ansonsten unübersichtliche und langwierige Rechenschritte, speziell im Realzeitformalismus, und ermöglicht uns eine leichtere Identifikation der dabei auftretenden Terme und deren Ursprung aus dem zugrunde liegenden Modell als auch deren physikalische Bedeutung. Die verwendeten Methoden haben wir soweit als möglich in konsistenter und anschaulicher Form eingeführt, so dass diese Arbeit ohne spezielle Kenntnis des Gebietes der dissipativen Quantenmechanik gelesen werden kann. Besonderen Wert haben wir auf den Übergang von der quantenmechanischen auf die klassische Beschreibung von dissipativen Vorgängen gelegt, da ein Verständnis dieses Übergangs eine tiefere Einsicht in den Messprozess liefert. In der selben Weise ist damit auch der Übergang von der mikroskopischen - durch die Quantenmechanik beschriebenen - Welt in die makroskopische Welt verbunden, welche den Gesetzen der klassischen Mechanik folgt. Zusätzlich zeigen wir, wie die Resultate der Influenzfunktionalmethode stochastisch interpretiert werden können, was einen leichteren Vergleich mit der bekannten quantenmechanischen Zeitentwicklung durch die Schrödingergleichung erlaubt. Im weiteren betrachten wir die sogenannte Tight-Binding Näherung von Modellen, bei welchen sich der Hamiltonraum für die Systembeschreibung im wesentlichen durch diskrete Eigenzustände des Ortsoperators ausdrücken lässt und Übergänge zwischen diesen Zuständen unterdrückt sind, wodurch eine Propagation entweder durch ein Tunneln oder durch thermische Anregung erfolgt. Im Rahmen der dissipativen Quantenmechanik bringt diese Methode eine immense Vereinfachung in der effektiven Beschreibung des Systems, da Anstelle einer ganzen Historie von Systempfaden nur noch die Übergangszeiten mit den entsprechenden Übergängen berücksichtigt werden müssen. Im Bild des Pfadintegralformalismus bedeutet dies, dass Anstelle des Integrals über alle Systempfade ein Produkt von Integrationen über alle möglichen Sprungzeiten mit Sprunggewichten entsprechend des Übergangs rückt, welches analytisch als auch numerisch wesentlich einfacher handzuhaben ist. Innerhalb dieser Näherung wurden dadurch in der Vergangenheit viele beeindruckende analytische Resultate abgeleitet. Darüber hinaus beschäftigen wir uns mit der Abbildung und dem Zusammenhang von dissipativen Modellen mit Feldmodellen aus der Quantenfeldtheorie und im besonderen der Feldtheorie statistischer Systeme. Der Reiz dieser Abbildungen liegt besonders darin, dass in den letztgenannten Gebieten schon seit Jahrzehnten sehr intensiv die grundlegenden Modelle bearbeitet wurden und vor allem auch nach neuen Methoden gesucht und Forschung dafür betrieben wurde und noch immer Gegenstand der aktuellen Forschung darstellt. Als Beispiel sei in zwei Dimensionen die Invarianz unter konformen Abbildungen genannt, welche immer dann Anwendung findet, wenn Systeme nur lokal wechselwirken und eine Invarianz unter lokaler Umskalierung der Felder zeigen. Bei statistischen Systemen mit lokaler Wechselwirkung zeigt sich dieses Verhalten immer beim Erreichen eines kritischen Punktes, da hier per Definition keine Längenskala ausgezeichnet ist. In zwei Dimensionen führt dies zu einer immensen Einschränkung der möglichen Form von Korrelationsfunktionen und hat zu dem eigenständigen Gebiet der Konformen Feldtheorie geführt, da konforme Abbildungen per Definition die lokale Struktur erhalten (Winkeltreue) und lokal nur zu einer Unskalierung führen. Während in D>2 Dimensionen nur endlich viele Generatoren für konforme Abbildungen existieren, ist deren Anzahl in 2 Dimensionen unendlich. Dies resultiert in einer unendlichen Anzahl von lokalen Erhaltungsgrößen mit den entsprechenden Folgen. Während solche Techniken sehr schnell unanschaulich werden, erlaubt die Abbildung auf dissipative Modelle hier oftmals eine sehr anschauliche Interpretation.Item Open Access Towards spin injection into silicon(2007) Dash, Saroj Prasad; Carstanjen, Heinz Dieter (Prof. Dr.)The efficient spin injection into semiconductors could pave the way to a new generation of electronics devices such as spin memories, spin transistors, and spin quantum computers. The most important semiconductor for industrial application, Si has been studied for the purpose of spin injection extensively in this thesis. Three different concepts for spin injection into Si have been addressed: (1) spin injection through a ferromagnet-Si Schottky contact, (2) spin injection using MgO tunnel barriers in between the ferromagnet and Si, and (3) spin injection from Mn-doped Si (DMS) as spin aligner. (1) FM-Si Schottky contact for spin injection: In a heterostructure of a ferromagnetic thin film on a Si substrate, any structural disorder at the interface would drastically reduce the spin polarization at the interface and, hence, the spin injection efficiency. To be able to improve the interface qualities one needs to understand the atomic processes involved in the formation of such silicide phases. In order to obtain more detailed insight into the formation of such silicide phases the initial stages of growth of Co and Fe were studied in situ by HRBS with monolayer depth resolution. As understood, it was important to prohibit the in-diffusion of Co into interstitial sites at the initial stages of growth and the out-diffusion of Si atoms in the latter stages. So in order to control and improve the interface, equilibrium growth conditions were followed (i) by lowering the growth temperature and (ii) by surfactant-mediated growth. Low temperature growth of Co on Si (100): Already at very low coverage Co diffusion into the bulk Si has been observed. The amount of in-diffused Co is, however, less than at room temperature. In contradiction to room temperature growth, Co atoms form layers of pure Co on top of the Si surface already at very low coverage. Every second Si layer, starting with the first Si layer, is Co depleted. This leads to an oscillatory Co distribution in the Si lattice which is preserved up to higher coverages (1.3 ML). Surfactant-mediated growth of Co on Si (100) : The lower surface free energy of Sb in comparison to Co and Si, makes it a potential candidate for surfactant mediated growth. By the use of one monolayer of Sb adsorbed on a Si (100) surface, Co-Si intermixing at the interface is strongly reduced in comparison to the interface without Sb as surfactant. The improved interface quality with Sb-mediated growth is also reflected in magnetic measurements. Co with Sb-mediated growth shows a higher magnetic moment. It was shown that simple solutions can reduce the FM-Si inter diffusion at the interface and improve the interface quality. However these non-equilibrium growth conditions could not stop the silicide formation completely. (2) MgO tunnel barrier for spin injection into Si: On the other hand, using an ultra-thin tunnel barrier between FM and Si will have three advantages: (i) form a chemical barrier between the FM and Si, (ii) circumvent the conductivity mismatch problem, and (iii) in addition act as a spin filter. The fabrication and characterization of ultra-thin crystalline MgO tunnel barriers on Si (100) was presented. Some of the important properties required for tunnel barriers on Si have been addressed. Ultra-thin stoichiometric MgO tunnel barriers with sharp interface with Si (100), very homogeneous, without pin-holes, and crystalline in structure could be fabricated by reactive molecular beam epitaxy. Co and Fe on an ultra thin MgO tunnel barrier were found to have island-like growth with a rough surface. Ultra-thin Co and Fe films are found to be thermally quite stable up to 450 °C. (3) Mn doped Si for spin injection: For spin injection purpose, instead of contacting the Si with a ferromagnetic metal, the contact could be made with another semiconductor, one with ferromagnetic properties. This solves the conductivity mismatch problem by ensuring that the resistivities of the materials on both side of the interface are comparable in magnitude. Si-based diluted magnetic semiconductor samples were prepared by doping Si with Mn by two different methods i) by Mn ion implantation and ii) by in-diffusion of Mn atoms (solid state growth). In the case of implanted samples, Mn atoms do not substitute Si sites. The implanted samples show room temperature ferromagnetism as measured by a SQUID magnetometer. The magnetic moment per Mn atom is found to decrease with increasing implantation dose. It has been observed that the implanted samples show carrier mediated ferromagnetism and, more importantly, mediated by both holes and electrons in contrast to statements in the literature. Solid state growth of Mn doped Si : For evaporation of Mn on Si (100), Mn atoms diffuse deep into the Si bulk already at room temperature, even for very low coverage (0.25 ML) with an oscillatory concentration depth profile as observed by HRBS with monolayer depth resolution. This results in natural MnxSi1-x/Si digital layers on the surface. Surprisingly, the samples prepared by this solid state diffusion process show room-temperature ferromagnetism having a magnetic moment of 1.8 µB per Mn atom, which is much higher than that of the ion-implanted samples. In contrast to ion-implanted samples the ferromagnetism in these samples does not show any carrier mediation.Item Open Access Modulationsdynamik von rot oberflächenemittierenden Halbleiterlasern(2007) Ballmann, Tabitha; Schweizer, Heinz (Prof. Dr.)Zusammenfassung: Oberflächenemittierende Laser mit Vertikalresonator (VCSEL), die bei einer Wellenlänge von 650-670 nm emittieren, sind insbesondere für optische Datenverbindungen mit Plastikfasern geeignet, die ein Absorptionsminimum bei dieser Wellenlänge besitzen. Hier wird das Bauteildesign, die Herstellung und die Charakterisierung im stationären und modulierten Betrieb von selektiv oxidierten VCSEL beschrieben. Ein Herstellungsprozeß mit parasitätsarmem Bauteildesign wurde entwickelt. Die VCSEL-Geometrie wurde im Hinblick auf eine hohe optische Leistung, Betrieb bis zu hohen Temperaturen und eine schnelle Modulation untersucht. Wärmeerzeugung und -abfuhr und Ladungsträgertransport sollen dabei verstanden werden. Die Absorption bzw. Photonenlebensdauer im VCSEL kann direkt aus den Meßwerten des externen Quantenwirkungsgrads extrahiert werden. Für Aperturen >13 µm ergibt sich eine Absorption von 13 cm-1, was hauptsächlich der Lichtabsorption durch freie Ladungsträger der Dotieratome zugeordnet werden kann. Zu kleineren Aperturen hin ergeben sich kürzere Photonenlebensdauern (statt 2.59 ps nur 1.52 ps bei einer Apertur von 3.5 µm). Zusätzliche optische Verluste treten auf, indem die Ausläufer der Gaußmode an einer kleinen Apertur gestreut werden. Im Gleichstrombetrieb wurde die Temperatur im VCSEL-Inneren und die optische Ausgangsleistung abhängig von den Betriebsbedingungen (zugeführter Strom, Außentemperatur) und der Bauteilgeometrie (Mesa-, Aperturbreite) gemessen und mit einem Temperaturbilanzmodell rechnerisch nachvollzogen. Die Degradation der Stromschwelle und nicht die Degradation der Quantenausbeute legt den Wert in der Licht-Strom Kennlinie fest, an dem der Laser ausgeht. Durch die spektrale Verschiebung der Emissionswellenlänge ist die Temperatur im VCSEL-Inneren bekannt. Sie steigt für kleine Verhältnisse von Apertur- zu Mesabreite am wenigsten mit der Stromdichte an. Das Mesahalbleitermaterial über der engen Oxidapertur sorgt für eine Querverteilung der Wärme und des Stroms. Gleichzeitig hält die Apertur den als Heizquelle wirkenden Pumpschwellstrom klein. Für maximale optische Leistung ist dagegen eine mittlere Aperturgröße am besten. Zu kleinen Aperturen hin begrenzt die schlechtere Wärmeabfuhr über die thermische Leitfähigkeit die Ausgangsleistung. Zu großen Aperturen und damit auch großen Pumpströmen hin dominiert die dissipierte elektrische Leistung mit ihrer Wärmeerzeugung durch den elektrischen Widerstand. Im gepulsten Betrieb erhält man eine maximal mögliche Umgebungstemperatur von 150°C für das Materialsystem des 670 nm VCSEL GaInP/AlGaInP mit einer Banddiskontinuität von ca. 400 meV. Bei höheren Temperaturen gehen zu viele Elektronen den Quantenfilmen verloren. Dieser Wert entspricht den Innentemperaturwerten, bis zu denen im Gleichstrombetrieb Laseremission zu sehen war. Mißt man die VCSEL-Antwort auf eine Kleinsignalmodulation der Stromamplitude und paßt eine Drei-Pol-Transferfunktion aus den Laserratengleichungen an, ist es möglich, die relative Wichtigkeit der vier bandbreitenlimitierenden Effekte in einem Halbleiterlaser zu bestimmen. Das ist die intrinsische Dämpfung der Resonanzspitze (0.17 ns K-Faktor -> 52 GHz Bandbreite), die thermische Sättigung der Resonanzfrequenz, das parasitäre und das transportbedingte parasitätsähnliche Absinken der Antwortfunktion (33 ps diffusive Transportzeit der Ladungsträger über die Einbettungs- und Barrierenschicht der 1-lambda-cavity -> 18 GHz Bandbreite). Durch eine dickere Passivierungsschicht reduzierten wir die Kontaktflächenkapazität und damit das parasitäre RC-Produkt und erreichen Modulationsbandbreiten von 4 GHz für einen 650 nm VCSEL. Beseitigt man das parasitäre Abfallen der Antwort zu hohen Frequenzen hin, ist das eigentliche Limit im roten VCSEL ein thermisches Limit - wie im Gleichstrombetrieb. Mit höherem Arbeitsstrom nimmt die Bauteilerwärmung zu und Photonendichte und Bandbreite sättigen. Der kleine Apertur-VCSEL mit dem besseren Temperaturbudget erreicht deutlich höhere Resonanzfrequenzen und zwar 6.3 GHz bei 4.5 mA mit einer Apertur von 3.5 µm (bei 657.9 nm). Aus den Modulationsmessungen läßt sich zudem über die Verstärkungskompression die lokale Einfangzeit von der Barrierenregion in den Quantenfilm als maximal 2 ps lang abschätzen. Die digitale Großsignalantwort des VCSELs ist durch Ein- und Ausschaltverzögerungen weiter begrenzt. Die numerische Simulation der Antwort liefert für die Ladungsträgerlebensdauer an der Schwelle 0.39 ns (Apertur 7 µm) (wie auch aus der Schwellstromdichte des stationären Betriebs und aus der Kleinsignalmodulation). Bei einem Vorstrom über der Schwelle wird die Einschaltverzögerung mit steigender Kleinsignal-Resonanzfrequenz kürzer. Aber auch die RC-Aufladekurve durch die dünne Oxidschicht beeinflußt die Einschaltverzögerung noch. Es wurde ein Augendiagramm bei einer Datenrate von 1.25 Gb/s mit dem 650 nm VCSEL aufgenommen.Item Open Access Density profiles of ionic liquids at a hard wall(2008) Schramm, Sebastian M.In this work a high energy x-ray reflectivity study of deeply buried interfaces between room temperature ionic liquids (RTILs) and a sapphire hard wall is reported. For the first time the interfacial structure was obtained with molecular resolution. The experiments have been carried out at beamline ID15A (ESRF, Grenoble) using the HEMD (High Energy Micro Diffraction) instrument. The thorough analysis of the experimental reflectivities gives clear evidence of a pronounced molecular layering at the RTIL-solid interface. The periodicity of the molecular layering corresponds to correlation distances in the bulk liquid RTILs. The values of the surface tension seem to be unrelated to the interfacial structure. RTILs are molten salts consisting solely of ions with a melting point below 100 °C. Most RTILs are composed of relatively large (polyatomic) organic cations and inorganic anions. In the last few years the interest in them experienced an enormous growth. Their unique and useful properties like non-volatility, low melting point, and a wide electrochemical window render them suitable for a wide range of applications, i.e. as green solvents, or as electrolytes in a variety of electrochemical processes. In most of the applications of RTILs the RTIL-solid interface plays a crucial role. Four different RTILs were studied. Two of them share the same cation, 1-butyl-3-methylimidazolium, with the most widely used and extensively studied anions, tetrafluoroborate and hexafluorophosphate. The other two RTILs fall into a more recent class of RTILs with higher electrochemical stability. They share the same anion, bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, and a pyrrolidinium-based and an imidazolium-based cation, respectively. The systematic exchange of the ion types within these four RTILs revealed a distinct impact of the ion pair on the interfacial behavior. Sapphire wafers with a (0001) surface served as a model system for a hard wall. Further information on interactions within the probed systems was gained by measurements of the interfacial tensions with air and n-hexane for all four RTILs at ambient condition. The surface tension of the RTILs is higher than the one for n-hexane but still smaller than the one for water. The measurements revealed that small changes in the nature of the ions have only a minor impact on the value of the surface and interfacial tension. In order to correlate the results for the interfacial structures with the bulk properties of the RTILs, bulk liquid x-ray scattering experiments were carried out at all four RTILs. These measurements revealed the presence of significant spatial correlations.Item Open Access Spectroscopic study of CaMnO3/CaRuO3 superlattices and YTiO3 single crystals(2009) Yordanov, Petar; Keimer, Bernhard (Prof. Dr.)The first two sections of Chapter 1 give a general overview of the research topics and experimental methods discussed in the thesis. Further on, in Chapter 2, some of the most important characteristics and mechanisms underlying the physics of transition metal oxides are presented. As the experimental part of the thesis includes studies on manganites and titanates, these two classes of compounds are exemplified in the exposition of Chapter 2. Several recent works in the emerging research field of transition metal oxide interfaces and superlattices are also discussed along with a brief introduction in x-ray spectroscopic methods with synchrotron radiation. Chapter 3 introduces the principles of optical spectroscopy and the simplest models for dielectric function, i.e., Lorentz oscillator and Drude dielectric function. The following Chapter 4 introduces two of the experimental techniques in optical spectroscopy, reflectance and spectroscopic ellipsometry. Further on, we describe the design of a new home-built apparatus for near-normal reflectance with high magnetic fields. Several critical technical details and findings during the assembling process are also discussed. Chapter 5 represents a comprehensive experimental spectroscopic study of a prototypical superlattice system made from an antiferromagnetic insulator CaMnO3 and a paramagnetic metal CaRuO3. The resulting interface ferromagnetic state was closely investigated by means of optical spectroscopy as well as by soft x-ray scattering and absorption methods. This study led us to the conclusion that magnetic bound states, i.e. magnetic polarons, have to be considered in the description of this SL system. Chapter 6 describes a polarized far infrared reflectance study with high magnetic field on the ferromagnetic Mott insulator YTiO3, single crystals. All 25 infrared-active phonon modes were observed. The temperature and magnetic-field dependence of the phonon modes revealed a weak spin-phonon coupling in YTiO3 and largely extended temperature range (up to TM ~ 80 - 100K), for the field-induced effects on the oscillator parameters. This later observation, uncovered short-range magnetic order state which remains even at temperatures as high as three times the temperature of the actual ferromagnetic transition of Tc ~ 30K. While a quantitative theoretical description of these data is thus far not available, they point to a complex interplay between spin, orbital, and lattice degrees of freedom due to the near-degeneracy of the Ti t2g orbitals in YTiO3.Item Open Access Structural and electronic characterization of single crystals of ambipolar organic semiconductors : diindenoperylene and diphenylanthracene(2008) Tripathi, Ashutosh Kumar; Wrachtrup, Jörg (Prof. Dr.)In the present work, structural and electronic characterizations of the chemically stable ambipolar organic semiconductor molecules diindenoperylene (DIP) and 9,10 diphenylanthracene (DPA) have been performed. As proposed by Clar's sextet rule these molecules exhibit a strong resistivity against photo-oxidation due to their molecular configuration. This was verified by Ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy. Crystals of high quality were grown by sublimation (DIP and DPA) as well as Bridgman growth (DPA) techniques. Different polymorphs of these crystals were analytically characterized and the corresponding crystal structures were obtained using temperature dependent X-ray diffraction and single crystal diffractometry. DIP crystals undergo an enantiotropic phase transition at 403 K. The low temperature (T < 403 K) phase consists of a triclinic crystal structure which changes to the higher symmetry monoclinic crystal structure for temperatures above 403 K. The enthalpy of the phase transition estimated by differential scanning calorimetry (DSC) amounts to 1 ± 0.2 kJ/mol and the corresponding entropy of 2.4 ± 0.5 J/(mol K) is in good agreement with theoretical calculations of the entropy change of 2.88 J/(mol K) due to the change in symmetry. Time of Flight (TOF) measurements were performed along out-of-plane (c') direction of DIP crystals. Both electron and hole transport were observed. This reflects the chemical stability of the DIP molecule. Room temperature mobilities for electrons and holes amount to 0.02 cm^2/Vs and 0.003 cm^2/Vs respectively. As expected, both electrons and holes exhibit a thermally activated transport because of the structural defects, caused by the phase transition, which break the translational symmetry. The Effects of the structural phase transition were observed on both electrons and holes transport. Further, field effect transistors (FETs) were fabricated on DIP crystals to study the charge transport in the (ab)- plane. At room temperature a FET mobility of ~ 2*10^-4 cm^2/Vs in the (ab)-plane was estimated. The FET mobility is more sensitive on the phase transition due to the stronger intermolecular interactions in the (ab)-plane. Two monotropic polymorphs were observed in DPA crystals which depend delicately on the growth technique (i.e. from vapor phase or from the melt). Bridgman grown crystals show a typical band-like transport along c'-direction with a room temperature hole mobility of ~ 3.7 cm^2/Vs and a temperature dependence of T^-2.3. The exponent 2.3 in the power law indicates a band-like transport with scattering by acoustic as well as optical phonons. Sublimation grown crystals grow with their surface normal along the b-direction. Both electrons and holes transport was observed by TOF technique in these crystals. Room temperature mobilities for electrons and holes amount to 4.8 cm^2/Vs and 6.6 cm^2/Vs respectively. Both electrons and holes exhibit a band-like transport with a temperature dependence of the mobility of T^-1.4 and T^-1.5 respectively. The exponent ~1.5 characterizes band-like transport with scattering by acoustic phonons. High mobilities in DPA crystals can be attributed to the phenyl-phenyl group overlap along the transport directions.Item Open Access In-situ-Röntgenbeugungsuntersuchungen zur Stabilität zweidimensionaler Legierungsfilme(2009) Becker, Moritz; Dosch, Helmut (Prof. Dr.)Diese Arbeit untersucht das Phasenverhalten ultradünner, im Volumen nicht mischbarer Fe-Ag Legierungsfilme auf Ru(0001)- und Ir(111)-Substraten mit oberflächensensitiver Röntgenbeugung (SXRD). Die Experimente wurden an den Synchrotronstrahlungsquellen Ångstrømquelle Karlsruhe (ANKA) und Swiss Light Source (SLS) mit einer im Rahmen dieser Arbeit entworfenen, transportablen UHV-Kammer durchgeführt, die in-situ Probenpräparation und zeitaufgelöste oberflächensensitive Röntgenbeugungsexperimente ermöglicht. Ein grundlegendes Verständnis von Legierungen ist ohne die detaillierte Kenntnis der atomaren Wechselwirkungspotentiale nicht möglich. Wäre diese Kenntnis erlangt, würde sich die Möglichkeit eröffnen, eine gewünschte Legierung am Rechner zu entwickeln, das heißt die benötigte Materialzusammensetzung a-priori aus den gewünschten Legierungseigenschaften zu ermitteln. Die atomaren Wechselwirkungen - üblicherweise unterteilt in chemische und spannungsinduzierte Wechselwirkungen - bestimmen, im Wettstreit mit der Entropie, die atomare Konfiguration der Legierung. Eisen und Silber dienen als Modellsystem einer im Volumen phasenseparierenden Legierung. Die stark ausgeprägte Entmischung reicht bei allen Mischungsverhältnissen bis in die flüssige Phase und deutet damit darauf, dass nicht nur die spannungsinduzierten sondern auch die chemischen Wechselwirkungen die Phasentrennung begünstigen. Die Beschränkung einer solchen binären Mischung auf einen ultradünnen Film auf einem Substrat wird die Energie der Verspannungen im Film verändern und zusätzliche chemische Wechselwirkungen zwischen Filmmaterialien und Substrat einbringen. In einem einfachen Modell wird die Spannungsenergie im Film minimiert, wenn die Gitterkonstante des Substrats zwischen denen der reinen Filmmaterialien liegt, wie bei Fe-Ag auf Ru(0001) und Ir(111). Das heißt, während Spannungen im Volumen stets entmischend wirken, können sie im Film die Legierungsbildung begünstigen, wobei sogenannte spannungsstabilisierte Oberflächenlegierungen entstehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Phasenverhalten von Submonolagen-Filmen aus Eisen und Silber auf Ru(0001)- und Ir(111)-Substraten mit zunehmender Temperatur und Zeit für drei Mischungsverhältnisse (eisenreich, ausgeglichen und silberreich) untersucht. Die abgeschiedenen reinen Eisen- und Silberphasen lassen sich dabei in einem SXRD-Experiment deutlich von möglichen Legierungsphasen, über die, den verschiedenen atomaren Konfigurationen zuzuordnenden Streubilder, unterscheiden. Der Anteil der Phasenabscheidung in die reinen Eisen- und Silberphasen lässt sich über die integrierte Intensität der Reflexe der reinen Silberphase bestimmen. Auf der Ru(0001)-Oberfläche konnte bereits bei Raumtemperatur eine Entmischung der ultradünnen Fe-Ag Filme beobachtet werden, wobei die Phasentrennung im Zeitrahmen der Experimente noch nicht vollständig abgelaufen ist. Nach dem Anlassen der Proben bis 670 K, das heißt bis knapp unter der Desorptionstemperatur von Silber, zeigen die Filme eine vollständige Phasenseparation. Auf der Ir(111)-Oberfläche konnte bei Raumtemperatur bei keinem Mischungsverhältnis eine Phasentrennung im Zeitrahmen der Experimente beobachtet werden. Der Prozess der Phasenseparation in den Fe-Ag Filmen läuft damit auf der Ir(111)-Oberfläche deutlich langsamer als auf der Ru(0001)-Oberfläche ab. Anlassen der Filme mit eisenreichem und ausgeglichenem Mischungsverhältnis auf 670 K führt erneut zu vollständiger Entmischung. Die silberreiche Mischung zeigt dagegen eine unvollständige Phasenseparation. Zusätzlich sind diffuse Streusignale um die Crystal Truncation Rods des Ir(111)-Substrats zu beobachten, die schwache, aber langreichweitige 2 dimensionale Korrelationen im Film aufzeigen. Eine wahrscheinliche Interpretation ist eine Tröpfchenphase mit Eisenclustern in einer Silbermatrix. Diese Beobachtung zeigt, dass die diffuse Röntgenstreuung sich ausgezeichnet eignet, Korrelationen in binären 2 dimensionalen Mischungen zu untersuchen und dabei wertvolle Beiträge zur Bestimmung atomarer Wechselwirkungspotentiale zu geben.