@phdthesis{Stich2012,
  author    = {Stich, Dominik},
  title     = {Zur Exziton- und Ladungstr{\"a}gerdynamik in einwandigen Kohlenstoffnanor{\"o}hren},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-70193},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2012},
  abstract  = {In dieser Dissertation wurde die Exziton- und Ladungstr{\"a}gerdynamik in halbleitenden und metallischen einwandigen Kohlenstoffnanor{\"o}hren (SWNTs) mittels zeitkorreliertem Einzelphotonenz{\"a}hlen (TCSPC) und transienter Absorptionsspektroskopie untersucht. Die Experimente wurden an Tensid- oder DNA-stabilisierten SWNT-Proben in Suspension durchgef{\"u}hrt, in denen durch Dichtegradientenultrazentrifugation (DGU) halbleitende (6,5)-R{\"o}hren oder metallische (9,9)-R{\"o}hren angereichert wurden. F{\"u}r die Herstellung der metallischen SWNT-Proben wurde das DGU-Verfahren optimiert. Metallische SWNT-Proben wiesen eine Verunreinigung von etwa 3\% halbleitenden SWNTs auf. Von den angereicherten metallischen SWNTs war die (9,9)-R{\"o}hre mit einem relativen Anteil von 40\% die vorherrschende Chiralit{\"a}t. F{\"u}r transiente Absorptionsmessungen wurden die metallischen SWNT-Proben zudem durch Filtration aufkonzentriert. Halbleitende (6,5)-Proben wurden mit einem standardm{\"a}ßig verwendeten Rezept hergestellt. Mit TCSPC-Messungen an (6,5)-Proben wurde erstmals gezeigt, dass halbleitende SWNTs neben der kurzlebigen Fluoreszenz des S1-Exzitons, die auf der ps-Zeitskala abl{\"a}uft, auch eine langlebig Fluoreszenzkomponente aufweisen. Diese klingt mit t^-1 ab und stammt ebenfalls aus dem S1-Exzitonzustand. Das relative Gewicht der langlebigen Komponente an der Quantenausbeute betr{\"a}gt (7 ± 2)\%. Bei der langlebige Fluoreszenzkomponente handelt es sich um verz{\"o}gerte Fluoreszenz. Diese entsteht durch die Wiederbesetzung des S1-Zustands aus einem tiefergelegenen Triplettzustand. Der vorherrschende Zerfall des Tripletts skaliert mit t^-0,5 und ist auf das nicht-Fick'sche Diffusionsverhalten der Tripletts zur{\"u}ckzuf{\"u}hren, die an St{\"o}rstellen gefangen werden und abreagieren. Wird vor dem {\"U}bergang in den Grundzustand ein weiteres Triplett eingefangen, so kommt es zu einer Triplett-Triplett-Annihilation, die eine Wiederbesetzung des S1-Zustandes bewirkt. F{\"u}r die transienten Absorptionsexperimente wurde ein Messaufbau verwirklicht, der Anregung und Abfrage im VIS und NIR Spektralbereich mit einer Zeitaufl{\"o}sung von bis zu 50 fs erm{\"o}glicht. Die Detektion des Abfragelichts erfolgt spektral aufgel{\"o}st mit einer CCD-Kamera. Der Aufbau erm{\"o}glicht Nachweisempfindlichkeiten von bis zu 0,2 mOD bei einer Integrationszeit von einer Sekunde. Durch unterschiedliche Modulation von Anregungs- und Abfragestrahl ist eine Detektion auf der Differenzfrequenz der Modulationen m{\"o}glich, wodurch Einfl{\"u}sse des Anregungslichts im Abfragespektrum effizient unterdr{\"u}ckt werden. In transienten Absorptionsexperimenten wurde die Exziton- und Ladungstr{\"a}gerdynamik der (9,9)-R{\"o}hre untersucht. Die transienten Absorptionsdaten wurden mit einer globalen Fitroutine angepasst, der ein Vierniveausystem zugrunde lag. Aus dem globalen Fit sind die Photoanregungsspektren (PAS) - die Beitr{\"a}ge der drei angeregten Niveaus zu den transienten Absorptionsspektren - sowie die Zerfallszeiten zug{\"a}nglich. Die PAS sind durch die Exzitonresonanz gekennzeichnet. Breite PB-Banden aufgrund der Besetzungs{\"a}nderung der linearen E00-B{\"a}nder sind im Gegensatz zu transienten Absorptionsmessungen an Graphen oder Graphit nicht erkennbar. Die PAS des schnellen und mittleren Zerfalls sind {\"a}hnlich und weisen eine starkes PB-Signal bei der Energie des M1-Exzitons der (9,9)-R{\"o}hre auf, das von PA-Banden bei h{\"o}heren undtieferen Energien begleitet wird. Der langsame Zerfall ist hingegen durch eine blauverschobene PB-Bande gekennzeichnet, die nur auf der niederenergetischen Seite mit einem PA-Signal einhergeht. Die Zerfallszeiten nehmen mit steigender Anregungsleistung zu und liegen im Bereich von 30 fs bis 120 fs, 500 fs bis 1000 fs und 40 ps. Die schnelle Zerfallskomponente wird mit der Dissoziation der Exzitonen sowie der Thermalisierung der freien Ladungstr{\"a}gen in den linearen Leitungsb{\"a}ndern zu einer heißen Ladungstr{\"a}gerverteilung assoziiert. Die mittlere Zerfallskomponente beschreibt die Abk{\"u}hlung und Rekombination der freien Elektronen und L{\"o}cher. Entscheidender Mechanismus ist hierbei die Streuung an hochenergetischen optischen Phononmoden. Die langsame Zerfallskomponente kann durch langlebige, wahrscheinlich an St{\"o}rstellen gefangene Ladungstr{\"a}ger erkl{\"a}rt werden, deren elektrische Felder durch den Stark-Effekt das ableitungs{\"a}hnliche transiente Absorptionsspektrum erzeugen. Mittels transienter Absorptionsmessungen an (6,5)-R{\"o}hren wurde aus dem anregungsleistungsabh{\"a}ngigen maximalen PB-Signal des S1-Exzitons die Gr{\"o}ße des S1-Exzitons zu (7,2 ± 2,5) nm bestimmt. Aus dem Vergleich der leistungsabh{\"a}ngigen maximalen PB-Signale bei Anregung in das S1- und das S2-Exziton ergibt sich, dass die Konversionseffizienz aus dem S2- in den S1-Zustand 1 ± 0,1 betr{\"a}gt und innerhalb der experimentellen Zeitaufl{\"o}sung von 60 fs vollst{\"a}ndig abl{\"a}uft. Die Exzitongr{\"o}ße in metallischen (9,9)-R{\"o}hren wurde bei Exzitonlebensdauern von 15 fs bis 30 fs zu etwa 7 nm bis 12 nm abgesch{\"a}tzt.},
  subject      = {Kohlenstoff-Nanor{\"o}hre},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Settels2012,
  author    = {Settels, Volker},
  title     = {Quantum chemical description of ultrafast exciton self-trapping in perylene based materials},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-69861},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2012},
  abstract  = {Im Rahmen dieser Dissertation wurden sehr lange Exzitonen-Diffusionsl{\"a}ngen (LD) unter idealen Bedingungen f{\"u}r Perylen-basierte Materialien simuliert. Dies ist ein Indiz daf{\"u}r, dass die sehr kurzen LD in realen Materialien aus einer extrinsischen sowie einer intrinsischen Immobilisierung resultieren. Letztere basiert auf einer Relaxation in sogenannten „Self-Trapping"-Zust{\"a}nde. Ein tieferes Verst{\"a}ndnis der dem Self-Trapping zugrunde liegenden atomistischen Prozesse ist notwendig, um zuk{\"u}nftig Materialien mit langen LD entwickeln zu k{\"o}nnen, bei denen eine intrinsische Exzitonen-Immobilisierung verhindert wird. F{\"u}r die Entwicklung eines solchen mechanistischen Verst{\"a}ndnisses ist das Vorliegen einer eindeutigen Korrelation zwischen der molekularen Anordnung und der LD unabdingbar. Diese weisen Einkristalle von Diindenoperylen (DIP) und α-Perylen-tetracarboxyl-anhydrid (α-PTCDA) auf. Bei ersteren wurde eine außergew{\"o}hnlich lange LD von 90 nm und bei letzteren nur 22 nm gemessen. Teil dieser Arbeit war es, Gr{\"u}nde f{\"u}r diesen Unterschied in der LD zu finden. Nur Self-Trapping kommt als Ursache in Frage. Aus diesem Grund eignen sich diese Materialien, um ein atomistisches Verst{\"a}ndnis des Self-Trappings exemplarisch an ihnen zu erarbeiten. Mutmaßlich k{\"o}nnten Differenzen in der elektronischen Struktur in DIP und α-PTCDA f{\"u}r das unterschiedliche Self-Trapping verantwortlich sein. Allerdings konnte gezeigt werden, dass es f{\"u}r viele Perylen-basierte Materialien keine signifikanten Unterschiede in der elektronischen Struktur gibt, wodurch diese f{\"u}r die Aufkl{\"a}rung von Immobilisierungsmechanismen zu vernachl{\"a}ssigen sind. Eine weitere m{\"o}gliche Begr{\"u}ndung w{\"a}re in Polarisationseffekten im Kristall zu suchen, welche die elektronische Struktur in Perylen-basierten Materialien unterschiedlich beeinflussen. Vor allem ihr Einfluss auf Ladungstrennungs-Zust{\"a}nde (CT), die oberhalb des optisch hellen Frenkel-Zustandes liegen, war fraglich, weil sie energetisch abgesenkt werden k{\"o}nnten. Ein signifikanter Einfluss von Polarisationseffekten konnte aber f{\"u}r alle Zust{\"a}nde mittels eines polarisierbaren Kontinuum-Modells ausgeschlossen werden. Die geringe LD im α-PTCDA ist folglich ein Indiz f{\"u}r ein Self-Trapping, das durch die Kristallstruktur aus π-Stapeln evoziert wird, welche in DIP fischgr{\"a}tenartig ist. Da Polarisationseffekte auszuschließen sind, {\"u}bt der Kristall lediglich durch sterische Restriktionen einen Einfluss auf das Dimer aus. Daher muss die Methode f{\"u}r die Beschreibung von Self-Trapping nur diese Effekte ber{\"u}cksichtigen, so dass sich f{\"u}r den Einsatz des mechanical embedding QM/MM-Ansatzes entschieden wurde. Nun konnten Potentialfl{\"a}chen berechnet werden, auf denen anschließend eine Wellenpaketdynamik durchgef{\"u}hrt wurde. Diese Methode erlaubt es erstmals, Mechanismen der Exzitonen-Immobilisierung in organischen Materialien auf einer atomistischen Ebene zu beschreiben. Als Erkl{\"a}rung f{\"u}r Self-Trapping in α-PTCDA dienten Potentialfl{\"a}chen, die eine intermolekulare Verschiebung des Dimers im Kristall abbilden. So wurde eine Exzitonen-Immobilisierung innerhalb von 500 fs gefunden, die aus einem irreversiblem Energieverlust und einer lokalen Verzerrung der Kristallstruktur resultiert und auf diese Weise den weiteren Transport des Exzitons verhindert. Im Fall von DIP kann diese Immobilisierung aufgrund hoher Energiebarrieren nicht stattfinden. Diese Barrieren resultieren aus der fischgr{\"a}tenartigen Kristallstruktur des DIP. Diese Diskrepanzen in der Dynamik erkl{\"a}ren die unterschiedlichen LD-Werte f{\"u}r DIP und α-PTCDA. In einem weiteren Fall wurde eine Exzitonen-Immobilisierung in helikalen π Aggregaten von Perylen-tetracarboxyl-bisimid (PBI) Molek{\"u}len festgestellt. Hier wird Self-Trapping durch einen Relaxationsmechanismus verursacht, in dem das Exziton durch geringe asymmetrische Schwingungen des Aggregats innerhalb von 200 fs von dem hellen Frenkel- in den dunklen Frenkel-Zustand transferiert wird, wobei dieser {\"U}bergang von einem CT-Zustand vermittelt wird. Der gesamte Vorgang ist nur bei helikalen Aggregaten m{\"o}glich, weil nur hier CT-Zust{\"a}nde sehr dicht bei dem hellen Frenkel-Zustand vorhanden sind. Im finalen Frenkel-Zustand tritt eine Torsionsbewegung um die π-Stapelachse ein, so dass ein Energieverlust und eine lokale {\"A}nderung der Aggregatstruktur erfolgt - also ein Self-Trapping des Exzitons. Dieser modellierte Mechanismus steht im Einklang zu allen vorliegenden experimentellen Daten. Diese Erkenntnisse lassen die Schlussfolgerung zu, dass in k{\"u}nftigen Materialen f{\"u}r organische Solarzellen eine irreversible und ultraschnelle Deformation des Aggregats nach der Photoanregung vermieden werden muss - will man lange LD erreichen. Nur so kann Self-Trapping von Exzitonen verhindert werden.},
  subject      = {Exziton},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Stehr2015,
  author    = {Stehr, Vera},
  title     = {Prediction of charge and energy transport in organic crystals with quantum chemical protocols employing the hopping model},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-114940},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {As organic semiconductors gain more importance for application, research into their properties has become necessary. This work investigated the exciton and charge transport properties of organic semiconducting crystals. Based on a hopping approach, protocols have been developed for the calculation of Charge mobilities and singlet exciton diffusion coefficients. The protocols do not require any input from experimental data except for the x-ray crystal structure, since all needed quantities can be taken from high-level quantum chemical calculations. Hence, they allow to predict the transport properties of yet unknown compounds for given packings, which is important for a rational design of new materials. Different thermally activated hopping models based on time-dependent perturbation theory were studied for the charge and exciton transport; i. e. the spectral overlap approach, the Marcus theory, and the Levich-Jortner theory. Their derivations were presented coherently in order to emphasize the different levels of approximations and their respective prerequisites. A short reference was made to the empirical Miller-Abrahams hopping rate. Rate equation approaches to calculate the stationary charge carrier mobilities and exciton diffusion coefficients have been developed, which are based on the master equation. The rate equation approach is faster and more efficient than the frequently used Monte Carlo method and, therefore, provides the possibility to study the anisotropy of the transport parameters and their three-dimensional representation in the crystal. The Marcus theory, originally derived for outer sphere electron transfer in solvents, had already been well established for charge transport in organic solids. It was shown that this theory fits even better for excitons than for charges compared with the experiment. The Levich-Jortner theory strongly overestimates the charge carrier mobilities and the results deviate even stronger from the experiment than those obtained with the Marcus theory. The latter contains larger approximations by treating all vibrational modes classically. The spectral overlap approach in combination with the developed rate equations leads to even quantitatively very good results for exciton diffusion lengths compared to experiment. This approach and the appendant rate equations have also been adapted to charge transport. The Einstein relation, which relates the diffusion coefficient with the mobility, is important for the rate equations, which have been developed here for transport in organic crystals. It has been argued that this relation does not hold in disordered organic materials. This was analyzed within the Framework of the Gaussian disorder model and the Miller-Abrahams hopping rate.},
  subject      = {Exziton},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Schmidt2009,
  author    = {Schmidt, Thomas},
  title     = {Optische Untersuchung und Kontrolle der Spindynamik in Mn dotierten II-VI Quantenpunkten},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-36033},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit befasste sich mit dem Spin- und dem damit eng verbundenen Polarisationszustand von Ladungstr{\"a}gern in CdSe/ZnSe Quantenpunkten. II-VI Materialsysteme k{\"o}nnen in geeigneter Weise mit dem Nebengruppenelement Mangan gemischt werden. Diese semimagnetischen Nanostrukturen weisen eine Vielzahl von charakteristischen optischen und elektrischen Besonderheiten auf. Verantwortlich daf{\"u}r ist eine Austauschwechselwirkung zwischen dem Spin optisch erzeugter Ladungstr{\"a}ger und den 3d Elektronen der Mn Ionen. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte die Adressierung gezielter Spinzust{\"a}nde durch optische Anregung der Ladungstr{\"a}ger. Die Besetzung unterschiedlicher Spinzust{\"a}nde konnte durch Detektion des Polarisationsgrades der emittierten Photolumineszenz (PL) bestimmt werden. Dabei kamen verschiedene optische Methoden wie zeitaufgel{\"o}ste und zeitintegrierte PL-Spektroskopie sowie Untersuchungen in Magnetfeldern zum Einsatz.},
  subject      = {Halbleiterschicht},
  language  = {de}
}
@article{SuessWehnerDostaletal.2019,
  author    = {S{\"u}ß, Jasmin and Wehner, Johannes G. and Dost{\´a}l, Jakub and Engel, Volker and Brixner, Tobias},
  title     = {Mapping of exciton-exciton annihilation in a molecular dimer via fifth-order femtosecond two-dimensional spectroscopy},
  series = {Journal of Physical Chemistry Letters},
  volume    = {150},
  journal   = {Journal of Physical Chemistry Letters},
  number    = {10},
  doi       = {10.1063/1.5086151},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-178420},
  pages     = {104304},
  year      = {2019},
  abstract  = {We present a theoretical study on exciton-exciton annihilation (EEA) in a molecular dimer. This process is monitored using a fifth-order coherent two-dimensional (2D) spectroscopy as was recently proposed by Dost{\´a}l et al. [Nat. Commun. 9, 2466 (2018)]. Using an electronic three-level system for each monomer, we analyze the different paths which contribute to the 2D spectrum. The spectrum is determined by two entangled relaxation processes, namely, the EEA and the direct relaxation of higher lying excited states. It is shown that the change of the spectrum as a function of a pulse delay can be linked directly to the presence of the EEA process.},
  subject      = {Exziton},
  language  = {en}
}
@article{LiShanRupprechtetal.2022,
  author    = {Li, Donghai and Shan, Hangyong and Rupprecht, Christoph and Knopf, Heiko and Watanabe, Kenji and Taniguchi, Takashi and Qin, Ying and Tongay, Sefaattin and Nuß, Matthias and Schr{\"o}der, Sven and Eilenberger, Falk and H{\"o}fling, Sven and Schneider, Christian and Brixner, Tobias},
  title     = {Hybridized exciton-photon-phonon states in a transition-metal-dichalcogenide van-der-Waals heterostructure microcavity},
  series = {Physical Review Letters},
  journal   = {Physical Review Letters},
  edition   = {accepted version},
  issn      = {1079-7114},
  doi       = {10.1103/PhysRevLett.128.087401},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-351303},
  year      = {2022},
  abstract  = {Excitons in atomically thin transition-metal dichalcogenides (TMDs) have been established as an attractive platform to explore polaritonic physics, owing to their enormous binding energies and giant oscillator strength. Basic spectral features of exciton polaritons in TMD microcavities, thus far, were conventionally explained via two-coupled-oscillator models. This ignores, however, the impact of phonons on the polariton energy structure. Here we establish and quantify the threefold coupling between excitons, cavity photons, and phonons. For this purpose, we employ energy-momentum-resolved photoluminescence and spatially resolved coherent two-dimensional spectroscopy to investigate the spectral properties of a high-quality-factor microcavity with an embedded WSe\(_2\) van-der-Waals heterostructure at room temperature. Our approach reveals a rich multi-branch structure which thus far has not been captured in previous experiments. Simulation of the data reveals hybridized exciton-photon-phonon states, providing new physical insight into the exciton polariton system based on layered TMDs.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Stuehler2023,
  author    = {St{\"u}hler, Rudolf Raul Albert},
  title     = {Growth and Spectroscopy of the Two-dimensional Topological Insulator Bismuthene on SiC(0001)},
  doi       = {10.25972/OPUS-32008},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-320084},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {A plethora of novel material concepts are currently being investigated in the condensed matter research community. Some of them hold promise to shape our everyday world in a way that silicon-based semiconductor materials and the related development of semiconductor devices have done in the past. In this regard, the last decades have witnessed an explosion of studies concerned with so called ''quantum materials'' with emerging novel functionalities. These could eventually lead to new generations of electronic and/or spintronic devices. One particular material class, the so called topological materials, play a central role. As far as their technological applicability is concerned, however, they are still facing outstanding challenges to date. Predicted for the first time in 2005 and experimentally verified in 2007, two-dimensional topological insulators (2D TIs) (a.k.a. quantum spin Hall insulators) exhibit the outstanding property of hosting spin-polarized metallic states along the boundaries of the insulating 2D bulk material, which are protected from elastic single-particle backscattering and give rise to the quantum spin Hall effect (QSHE). Owing to these peculiar properties the QSHE holds promise for dissipationless charge and/or spin transport. However, also in today's best 2D TIs the observation of the QSHE is still limited to cryogenic temperatures of maximum 100 K. Here, the discovery of bismuthene on SiC(0001) has marked a milestone towards a possible realization of the QSHE at or beyond room-temperature owing to the massively increased electronic bulk energy gap on the order of 1 eV. This thesis is devoted to and motivated by the goal of advancing its synthesis and to build a deeper understanding of its one-particle and two-particle electronic properties that goes beyond prior work. Regarding the aspect of material synthesis, an improved growth procedure for bismuthene is elaborated that increases the domain size of the material considerably (by a factor of ≈ 3.2 - 6.5 compared to prior work). The improved film quality is an important step towards any future device application of bismuthene, but also facilitates all further basic studies of this material. Moreover, the deposition of magnetic transition metals (Mn and Co) on bismuthene is investigated. Thereby, the formation of ordered magnetic Bi-Mn/Co alloys is realized, their structure is resolved with scanning tunneling microscopy (STM), and their pristine electronic properties are resolved with scanning tunneling spectroscopy (STS) and photoemission spectroscopy (PES). It is proposed that these ordered magnetic Bi-Mn/Co-alloys offer the potential to study the interplay between magnetism and topology in bismuthene in the future. In this thesis, a wide variety of spectroscopic techniques are employed that aim to build an understanding of the single-particle, as well as two-particle level of description of bismuthene's electronic structure. The techniques involve STS and angle-resolved PES (ARPES) on the one hand, but also optical spectroscopy and time-resolved ARPES (trARPES), on the other hand. Moreover, these experiments are accompanied by advanced numerical modelling in form of GW and Bethe-Salpeter equation calculations provided by our theoretical colleagues. Notably, by merging many experimental and theoretical techniques, this work sets a benchmark for electronic structure investigations of 2D materials in general. Based on the STS studies, electronic quasi-particle interferences in quasi-1D line defects in bismuthene that are reminiscent of Fabry-P{\´e}rot states are discovered. It is shown that they point to a hybridization of two pairs of helical boundary modes across the line defect, which is accompanied by a (partial) lifting of their topological protection against elastic single-particle backscattering. Optical spectroscopy is used to reveal bismuthene's two-particle elecronic structure. Despite its monolayer thickness, a strong optical (two-particle) response due to enhanced electron-hole Coulomb interactions is observed. The presented combined experimental and theoretical approach (including GW and Bethe-Salpeter equation calculations) allows to conclude that two prominent optical transitions can be associated with excitonic transitions derived from the Rashba-split valence bands of bismuthene. On a broader scope this discovery might promote further experiments to elucidate links of excitonic and topological physics. Finally, the excited conduction band states of bismuthene are mapped in energy and momentum space employing trARPES on bismuthene for the first time. The direct and indirect band gaps are succesfully extracted and the effect of excited charge carrier induced gap-renormalization is observed. In addition, an exceptionally fast excited charge carrier relaxation is identified which is explained by the presence of a quasi-metallic density of states from coupled topological boundary states of domain boundaries.},
  subject      = {Topologischer Isolator},
  language  = {en}
}