TY  - THES
A1  - Weber, Christian
T1  - Electrochemical Energy Storage: Carbon Xerogel-Manganese Oxide Composites as Supercapacitor Electrode Materials
T1  - Elektrochemische Energiespeicher: Kohlenstoff Xerogel-Manganoxid Komposite als Elektrodenmaterial für Superkondensatoren
N2  - Electrochemical double layer capacitors (EDLC), most commonly referred to as “supercapacitors”,
have gained increasing scientific and commercial interest in recent years. Purely electrostatic charge storage processes allow charge- and discharge cycles in the second-time scale, exhibiting a theoretical capacitance in the order of 100 F per gram of electrode material, thereby providing efficient recuperation devices for electromechanical processes, for example. Introducing electrochemically active materials such as manganese oxides into the supercapacitor electrode, allows to combine the double-layer storage with a battery-like storage process, leading to capacitance that can be up to two orders of magnitude larger than those in EDLC.
In the present work, an electroless deposition approach of manganese oxide on a carbon scaffold
is adapted and further investigated. The carbon material is derived from an organic xerogel, which in turn is prepared via a sol-gel process, allowing tailoring of the structural properties of the carbon, making it an ideal model system to study the relation between morphology and electrochemical performance in the carbon-manganese oxide hybrid electrode.
In the first part of this thesis, a variation of manganese oxide deposition time at a low concentration of precursor solution is analyzed. Mass uptakes reach up to 58 wt.%, leading to an increase of volumetric capacitance by a factor 5, however reducing the dynamic performance of the electrode.
The structural characterization gives hints on the deposition location of the active material either in the intra-particular pores of the carbon backbone or on the enveloping surface area of the particles forming the backbone.
In order to comprehensively answer the question of the location of the active material within
the hybrid electrode, the particle size of the carbon backbone and therefore the enveloping surface area of the carbon particles was varied. For samples with high mass uptakes, scanning electron microscopy (SEM) images show a layer thickness of 27 nm of active material around the carbon particles. In order to quantitatively investigate this layer morphology, even for low mass uptakes where no layer is visible in SEM images, a model interpreting data from anomalous small angle X-ray scattering (ASAXS) measurements was developed. The results confirm the presence of a layer around the carbon particles, exhibiting a layer thickness ranging from 3 to 26 nm.
From an electrochemical point of view, carbon backbones with a large enveloping surface area
will lead to high mass uptakes in the electroless deposition process and therefore lead to high
capacitance of the electrode. However, for future application, electrodeposition approaches should be investigated in detail, since no deposits will form on the interface between carbon backbone and current collector, leading to a better dynamic performance of the hybrid electrode. Furthermore, the ASAXS-method should be promoted and applied on other material systems, since this technique allows to draw important conclusions and allows to deduce integral and quantitative information towards a rational design of high performance electrodes.
N2  - In den letzten Jahren haben elektrochemische Doppelschichtkondensatoren, meist als “Supercaps”
bezeichnet, wachsendes wissenschaftliches und kommerzielles Interesse erfahren. Rein
elektrostatische Ladungsspeicherungsprozesse erlauben Lade- und Entladezyklen im Sekundenregime,
bei einer theoretischen Kapazität in der Größenordnung von 100 Farad pro Gramm
Elektrodenmaterial. Damit steht beispielsweise ein ideales Bauteil zur Energierekuperation in
elektromechanischen Prozessen zur Verfügung.
Die Verbindung der Doppelschichtelektrode mit elektrochemisch aktiven Materialien, wie zum
Beispiel Manganoxiden, erlaubt eine Kombination der elektrostatischen Ladungsspeicherung mit
batterieähnlichen Ladungsspeicherungsprozessen. Dies führt zu Kapazitätswerten, die bis zu zwei
Größenordnungen über den Kapazitätswerten im Doppelschichtkondensator liegen können.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein nasschemischer Abscheidungsprozess für die Deposition
von Manganoxid auf einem Kohlenstoffgerüst angewendet und weitergehend untersucht. Das
Kohlenstoffmaterial wurde aus einem organischem Xerogel hergestellt, welches wiederum durch
einen Sol-Gel Prozess dargestellt wurde. Diese Vorgehensweise erlaubt eine gezielte Beeinflussung
der strukturellen Eigenschaften des Kohlenstoffes. Dadurch wird das Material zum idealen
Modellsystem, um den Einfluss der Morphologie auf die elektrochemischen Eigenschaften der
Kohlenstoff-Manganoxid Hybridelektrode zu untersuchen.
Im ersten Teil der Arbeit wurde die Abscheidungsdauer des Manganoxids bei einer niedrigen
Ausgangskonzentration in der Vorstufe systematisch variiert und die resultierenden Elektroden
analysiert. Die MnO2 Massenaufnahme erreichte bis zu 58 wt.%, was zu einer Steigerung der
volumetrischen Kapazität um einen Faktor 5 führte. Der Preis für diese Steigerung liegt jedoch
in einer Reduktion der Lade- bzw. Entladegeschwindigkeit. Die strukturelle Charakterisierung
der Hybridelektroden deutet auf eine Abscheidung des MnO2 in den intrapartikulären Poren der
Kohlenstoffpartikel oder auf deren einhüllenden Oberfläche hin.
Um den Abscheidungsort des aktiven Materials innerhalb der Hybridelektrode eindeutig zu
bestimmen, wurde die Größe der Kohlenstoffpartikel und damit die externe Oberfläche des Kohlenstoffgerüstes
systematisch variiert. Aufnahmen mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigen
eine Schicht von MnO2 um die Kohlenstoffpartikel mit einer Dicke von bis zu 27 nm für Proben
mit Massenzuwächsen von bis zu 130 %.
Um die Schichtdicke auch für geringe Massenaufnahmen, bei denen im REM keine Schicht
erkennbar ist, quantitativ untersuchen zu können, wurde ein Modell zur Analyse von anomaler
Röntgenkleinwinkelstreuung (ASAXS) entwickelt. Die Ergebnisse bestätigen die Existenz einer
Schicht um die Kohlenstoffpartikel, deren Dicke zwischen 3 und 26 nm liegt.
Aus elektrochemischer Sicht wird ein Kohlenstoffgerüst mit großer einhüllender Oberfläche
zu einer großen Massenaufnahme im nasschemischen Abscheidungsprozess und damit zu hohen
Kapazitätswerten führen. Für eine zukünftige Anwendung sollten jedoch auch elektrochemische
Abscheidungsprozesse genau untersucht werden, da bei dieser Methode kein Material auf der
Kontaktfläche zwischen Stromabnehmer und Elektrode abgeschieden wird. Dadurch ist eine
Verbesserung der elektrochemischen Performance der Hybridelektrode zu erwarten. Weiterhin
sollte die ASAXS-Methode weiterentwickelt und auf andere Materialsysteme angewendet werden,
da diese Technik wichtige Schlüsse erlaubt, sowie die Bestimmung integraler und quantitativer
Information, die zu gezieltem Design von hocheffizienten Elektroden führen wird.
KW  - Superkondensator
KW  - Electrochemical energy storage
KW  - ASAXS
KW  - Supercapacitor
KW  - Energiespeicher
KW  - Experimental physics
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-130748
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TY  - THES
A1  - Vogt, Matthias Guido
T1  - Elektronische Eigenschaften von Wabengittern mit starker Spin-Bahn-Kopplung
T1  - Electronic Properties of honeycomb lattices with strong spin-orbit coupling
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wurden die elektronischen Eigenschaften von Graphen auf Metalloberflächen mittels Rastertunnelmikroskopie und Quasiteilcheninterferenz (englisch quasiparticle interference, QPI)-Messungen untersucht. Durch das Verwenden schwerer Substrate sollte die Spin-Bahn-Wechselwirkung des Graphen verstärkt werden und damit eine Bandlücke am K-Punkt der Bandstruktur mittels QPI beobachtet werden. Um das Messen von QPI auf Graphen zu testen, wurde auf der Oberfläche eines SiC(0001)-Kristalls durch Erhitzen Graphen erzeugt und mit dem Rastertunnelmikroskop untersucht. Dieses System wurde schon ausführlich in der Literatur beschrieben und bereits bekannte QPI-Messungen von Streuringen, die auf den Dirac-Kegeln des Graphen am K-Punkt basieren, konnte ich auf gr/SiC(0001) in guter Qualität erfolgreich reproduzieren. Anschließend wurde Graphen nach einem wohlbekannten Verfahren durch Aufbringen von Ethylen auf ein erhitztes Ir(111)-Substrat erzeugt. Dieses gr/Ir(111)-System diente auch als Grundlage für Interkalationsversuche von Bismut (gr/Bi/Ir(111)) und Gadolinium (gr/Gd/Ir(111)) zwischen das Graphen und das Substrat. Auf gr/Bi/Ir(111) wurde ein schon aus der Literatur bekanntes Netzwerk aus Versetzungslinien beobachtet, dem zusätzlich eine Temperaturabhängigkeit nachgewiesen werden konnte. Beim Versuch, Gadolinium zu interkalieren, wurden zwei verschieden Oberflächenstrukturen beobachtet, die auf eine unterschiedlich Anordnung bzw. Menge des interkalierten Gadoliniums zurückzuführen sein könnten. Auf keinem dieser drei Systeme konnten allerdings Streuringe mittels QPI beobachtet werden. Als Vorbereitung der Interkalation von Gadolinium wurden dessen Wachstum und magnetische Eigenschaften auf einem W(110)-Kristall untersucht. Dabei konnte eine aus der Literatur bekannte temperaturabhängige Austauschaufspaltung reproduziert werden. Darüber hinaus konnten sechs verschieden magnetische Domänen beobachtet werden. Zusätzlich sind auf der Oberfläche magnetische Streifen auszumachen, die möglicherweise auf einer Spinspirale basieren. Als Grundlage für die mögliche zukünftige Erzeugung Graphen-artiger Molekülgitter wurde das Wachstum von H-TBTQ und Me-TBTQ auf Ag(111) untersucht. Die Moleküle richten sich dabei nach der Oberflächenstruktur des Silber aus und bilden längliche Inseln, deren Kanten in drei Vorzugsrichtungen verlaufen. Auf H-TBTQ wurde zudem eine zweite, Windmühlen-artige Ausrichtung der Moleküle auf der Oberfläche beobachtet. Auf den mit den Molekülen bedeckten Stellen der Oberfläche wurde eine Verschiebung des Ag-Oberflächenzustands beobachtet, die mit einem Ladungstransfer vom Ag(111)-Substrat auf die TBTQ-Moleküle zu erklären sein könnte.
N2  - In this thesis, the electronic properties of graphene on metal surfaces were investigated by scanning tunneling microscopy and quasiparticle interference (QPI) measurements. In order to enhance the spin orbital interaction of the graphene and possibly observe a band gap at the K-point of the band structure via QPI, substrates with heavy atoms were used. To test the ability to measure QPI on graphene, graphene was produced on the surface of a SiC(0001) crystal by heating and examined with a scanning tunneling microscope. This system has already been described in detail in the literature and I was able to successfully reproduce QPI measurements of clearly recognizable scattering rings, which are due to the Dirac cones of the graphene at the K-point Afterwards, graphene was produced by a well-known process by applying ethylene to a heated Ir(111) substrate. This gr/Ir(111) system also served as a basis for intercalation experiments of bismuth (gr/Bi/Ir(111)) and gadolinium (gr/Gd/Ir(111)) between the graphene and the substrate. On gr/Bi/Ir(111), a network of dislocation lines known from literature was observed, which also showed a temperature dependence. In the attempt to intercalate gadolinium, two different surface structures were observed which could be due to a different arrangement or quantity of the intercalated gadolinium. However, on none of these three systems scattering rings were observed by QPI. In preparation for the intercalation of gadolinium, its growth and magnetic properties were investigated on a W(110) substrate. A temperature-dependent exchange splitting of the surface density of states known from the literature could be reproduced. In addition, six different magnetic domains and magnetic stripes were observed on the surface, which may be based on a spin spiral. The growth of H-TBTQ and Me-TBTQ on Ag(111) was investigated as a basis for a possible subsequent generation of graphene-like molecular lattices in the future. The molecules are aligned to the surface structure of the silver and form elongated islands with edges in three preferred directions. H-TBTQ also appeared in a second, windmilllike orientation of the molecules on the surface. A shift of the Ag surface state was observed on the surface areas covered by the molecules, which might be explained by a charge transfer from the Ag(111) substrate to the TBTQ molecules.
KW  - Spin-Bahn-Wechselwirkung
KW  - Graphen
KW  - Rastertunnelmikroskopie
KW  - Wabengitter
KW  - Tribenzotriquinacen
KW  - Quasiteilcheninterferenz
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-207506
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TY  - THES
A1  - Topczak, Anna Katharina
T1  - Mechanismen des exzitonischen Transports und deren Dynamik in molekularen Dünnschichten für die organische Photovoltaik
T1  - Mechanisms of the exciton transport and its dynamics in molecular thin films for organic photovoltaic applications
N2  - Der Fokus dieser Arbeit liegt in der Untersuchung des exzitonischen Transports, sowie der
Dynamik exzitonischer Zustände in organischen Halbleitern. Als fundamentale Fragestellung werden die inhärenten, materialspezifischen Parameter untersucht, welche Einfluss auf die Exzitonen-Diffusionslänge besitzen. Sowohl der Einfluss der strukturellen Ordnung als auch die fundamentalen exzitonischen Transporteigenschaften in molekularen Schichten werden anhand der archetypischen, morphologisch unterschiedlichen organischen Halbleiter Diindenoperylen (DIP), sowie dessen Derivaten, α-6T und C60 studiert. Die resultierende Filmbeschaffenheit wird mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) analysiert, welche Informationen über die Morphologie, die strukturelle Ordnung und die Mikrostruktur der jeweiligen molekularen Schichten auf verschiedenen Längenskalen liefern.
Um Informationen über die Exzitonen-Diffusion und die damit einhergehende Exzitonen-
Diffusionslänge LD zu erhalten, wurde die Methode des Photolumineszenz (PL)-Quenchings
gewählt. Um umfassende Informationen zur Exzitonen-Bewegung in molekularen Dünnschichten zu erhalten, wurde mit Hilfe der Femtosekunden-Transienten-Absorptionsspektroskopie (TAS) und der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung (TCSPC) die Dynamik angeregter Energiezustände und deren jeweiliger Lebensdauer untersucht. Beide Messverfahren gewähren Einblicke in den zeitabhängigen Exzitonen-Transport und ermöglichen eine Bestimmung des Ursprungs möglicher Zerfallskanäle.
Die zentralen Ergebnisse dieser Arbeit zeigen zum einen eine Korrelation zwischen LD und der strukturellen Ordnung der Schichtmorphologie, zum anderen weist die temperaturunabhängige
Exzitonen-Bewegung in hochgeordneten polykristallinen DIP-Filmen auf die Möglichkeit
der Existenz eines kohärenten Exzitonen-Transports bei tiefen Temperaturen unterhalb von 80 K hin. Zeitaufgelöste spektroskopische Untersuchungen lassen zudem auf ein breites Absorptionsband höherer angeregter Zustände schließen und weisen eine höhere Exzitonen-
Zustandsdichte in polykristallinen DIP-Schichten im Vergleich zu ungeordneten Filmen auf.
N2  - The objective of this work is the examination of the excitonic transport and its dynamics in organic semiconductors. A fundamental question dealt with in this thesis was related to inherent transport mechanisms, which govern the exciton diffusion length LD. To pursue this question, the excitonic transport in organic semiconductor thin films was examined in particular with regard to the influence of the structural coherence on LD as well as to the fundamental excitonic transport mechanisms. The resulting film structure of the samples is analyzed by means of X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscopy (AFM), which yield to information on the morphology, the structural order and the microstructure of the molecular films on various length scales. PL-quenching investigations were performed to determine the exciton transport properties in different archetypical organic semiconductors represented by thin films of Diindenoperylene (DIP) and its derivatives, C60 and α-6T. To receive a comprehensive picture of exciton motion in molecular thin films, the exciton dynamics were investigated by femtosecond transient absorption spectroscopy (TAS) and time correlated single photon spectroscopy (TCSPC). Both measurement techniques gain insights into the time dependent exciton transport as well as help to assign the origin of the occurring decay-channels.
The main results of this work reveal a correlation of LD with the structural order of the film morphology. In addition, a temperature independent excitonic motion in polycrystalline films of DIP at low temperatures < 80 K hints at the existence of a coherent exciton transport. Furthermore, time dependent spectroscopic investigations indicate a broad absorption band formed by higher excited states which exhibits a higher excitonic density of states in crystalline DIP-layers compared to films with a lower degree of structural order or amorphous texture.
KW  - Organische Solarzelle
KW  - Exzitonen Transport
KW  - Exzitonenbeweglichkeit
KW  - Exzitonen Diffusionslänge
KW  - Exzitonen Dynamik
KW  - Photolumineszenz Quenching
KW  - Diindenoperylen
KW  - C60
KW  - Transiente Absorptionsspektroskopie
KW  - Exziton
KW  - Organische Halbleiter
KW  - Photolumineszenz
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-132280
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TY  - THES
A1  - Suchomel, Holger Maximilian
T1  - Entwicklung elektrooptischer Bauteile auf der Basis von Exziton-Polaritonen in Halbleiter-Mikroresonatoren
T1  - Development of electro-optical devices based on exciton polaritons in semiconductor microresonators
N2  - Exziton-Polaritonen (Polaritonen), hybride Quasiteilchen, die durch die starke Kopplung von Quantenfilm-Exzitonen mit Kavitätsphotonen entstehen, stellen auf Grund ihrer vielseitigen und kontrollierbaren Eigenschaften einen vielversprechenden Kandidaten für die Entwicklung einer neuen Generation von nichtlinearen und integrierten elektrooptischen Bauteilen dar. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung kompakter elektrooptischer Bauelemente auf der Basis von Exziton-Polaritonen in Halbleitermikrokavitäten.
Als erstes wird die Implementierung einer elektrisch angeregten, oberflächenemittierenden Polariton-Laserdiode vorgestellt, die ohne ein externes Magnetfeld arbeiten kann. Dafür wird der Schichtaufbau, der Q-Faktor, das Dotierprofil und die RabiAufspaltung der Polariton-Laserdiode optimiert. Der Q-Faktor des finalen Aufbaus beläuft sich auf Q ~ 16.000, während die Rabi-Aufspaltung im Bereich von ~ 11,0 meV liegt. Darauf aufbauend werden Signaturen der Polariton-Kondensation unter elektrischer Anregung, wie ein nichtlinearer Anstieg der Intensität, die Reduktion der Linienbreite und eine fortgesetzte Verschiebung der Emission zu höheren Energien oberhalb der ersten Schwelle, demonstriert. Ferner werden die Kohärenzeigenschaften des Polariton-Kondensats mittels Interferenzspektroskopie untersucht.
Basierend auf den optimierten Halbleiter-Mikroresonatoren wird eine Kontaktplattform für die elektrische Anregung ein- und zweidimensionaler Gitterstrukturen entwickelt. Dazu wird die Bandstrukturbildung eines Quadrat- und Graphen-Gitters unter elektrischer Anregung im linearen Regime untersucht und mit den Ergebnissen der optischen Charakterisierung verglichen. Die erhaltenen Dispersionen lassen sich durch das zugehörige Tight-Binding-Modell beschreiben. Ferner wird auch eine elektrisch induzierte Nichtlinearität in der Emission demonstriert. Die untersuchte Laser-Mode liegt auf der Höhe des unteren Flachbandes und an der Position der Γ-Punkte in der zweiten Brillouin-Zone. Die zugehörige Modenstruktur weist die erwartete Kagome-Symmetrie auf. Abschließend wird die Bandstrukturbildung eines SSH-Gitters mit eingebautem Defekt unter elektrischer Anregung untersucht und einige Eigenschaften des topologisch geschützten Defektzustandes gezeigt. Dazu gehört vor allem die Ausbildung der lokalisierten Defektmode in der Mitte der S-Bandlücke. Die erhaltenen Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt in der Realisierung eines elektrisch betriebenen topologischen Polariton-Lasers dar.
Abschließend wird ein elektrooptisches Bauteil auf der Basis von Polaritonen in einem Mikrodrahtresonator vorgestellt, in dem sich die Propagation eines PolaritonKondensats mittels eines elektrostatischen Feldes kontrollieren lässt. Das Funktionsprinzip des Polariton-Schalters beruht auf der Kombination einer elektrostatischen Potentialsenke unterhalb des Kontaktes und der damit verbundenen erhöhten ExzitonIonisationsrate. Der Schaltvorgang wird sowohl qualitativ als auch quantitativ analysiert und die Erhaltenen Ergebnisse durch die Modellierung des Systems über die GrossPitaevskii-Gleichung beschrieben. Zusätzlich wird ein negativer differentieller Widerstand und ein bistabiles Verhalten in der Strom-Spannungs-Charakteristik in Abhängigkeit von der Ladungsträgerdichte im Kontaktbereich beobachtet. Dieses Verhalten wird auf gegenseitig konkurrierende Kondensats-Zustände innerhalb der Potentialsenke und deren Besetzung und damit direkt auf den räumlichen Freiheitsgrad der PolaritonZustände zurückgeführt.
N2  - Exciton-polaritons (polaritons), hybrid quasi-particles formed by the strong coupling between quantum well excitons and microcavity photons, are promising candidates for the realization of a new generation of nonlinear and integrated electrooptical devices. Compared to photonic or electrical approaches distinguishing advantages of Polaritons are their versatile and tuneable properties that allow electrical excitation and easy manipulation, which is both advantageous for on-chip applications. The present thesis deals with the development, implementation, and improvement of compact electrooptical devices based on exciton-polaritons in semiconductor microcavities.
At first the implementation of an electrically driven vertically emitting polariton laser diode, which operates without the need of an applied magnetic field, is presented. For this purpose, the layer structure, quality factor, doping profile and Rabi-splitting of the polariton laser diode is optimized. The final design consists of a high-quality factor Al0.20Ga0.80As/AlAs microcavity (Q ~ 16,000) and features a Rabi-splitting of ~ 11.0 meV. Signatures for polariton condensation under electrical excitation are shown in the processed device. It features a clear nonlinearity in its input-output characteristic, a well-pronounced drop in the emission linewidth and a persisting blueshift above the first threshold with increasing pump-power. On top of that, evidence of the systems coherence properties in the condensed phase is provided directly by utilizing interference spectroscopy.
Based on the optimized microcavity structures a process for the electrical excitation of one- and two-dimensional potential landscapes is developed. At first, the linear band structures of polaritonic square as well as honeycomb lattices are studied under electrical injection and compared to the results acquired by optical excitation. The obtained dispersions are reproduced by a tight-binding model. Moreover, the capability of the device to facilitate an electrically induced nonlinear emission is demonstrated. The investigated laser mode at the high symmetry Γ points in the second Brillouin zone, is located at the low energy flatband, as verified by the kagome geometry of the measured mode structure. Subsequent, the results of a one-dimensional SSH chain are presented under electrical excitation. In addition, the properties of a built-in lattice defect, forming a topological protected state in the middle of the S band gap, are investigated, paving the way towards the realization of electrically driven topological polariton lasers.
Finally, an electrooptical polariton switch is demonstrated as a prototype of a polaritonic field-effect transistor. Here, an optical generated polariton condensate propagating along a one-dimensional channel is controlled by an electrical gate. The operation of the device relies on the combination of an electrostatic potential trap underneath the contact, and the associated exciton ionization. The switching behaviour is analysed in a qualitative as well as in a quantitative manner and verified by modelling the experimental findings with the Gross-Pitaevskii equation. Furthermore, a pronounced negative differential resistance and a strong bistability is observed in the photocurrent response as a function of the carrier density. This is attributed to competing transitions of trapped condensate modes and thus directly to the spatial degree of freedom of the polariton states, which represents a completely new way to create bistability.
KW  - Drei-Fünf-Halbleiter
KW  - AlGaAs
KW  - Exziton-Polariton
KW  - Optischer Resonator
KW  - Quantenwell
KW  - Mikroresonator
KW  - Polariton Lasing
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-271630
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TY  - THES
A1  - Stender, Benedikt
T1  - Einzelphotonenemitter und ihre Wechselwirkung mit Ladungsträgern in organischen Leuchtdioden
T1  - Single Photon Emitters and their Interaction with Charge Carriers inside Organic Light Emitting Eiodes
N2  - In dieser Arbeit wird die Photophysik von Einzelphotonenemittern unterschiedlicher Materialklassen, wie Fehlstellen in Diamant und Siliziumcarbid sowie organischer Moleküle bei Raumtemperatur untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein hochauflösendes konfokales Mikroskop konzipiert und konstruiert, welches die optische Detektion einzelner Quantensysteme ermöglicht. Zusätzlich werden verschiedene Methoden wie die Rotationsbeschichtung, das Inkjet-Printing und das Inkjet-Etching in Bezug auf die Reproduzierbarkeit und Strukturierbarkeit von organischen Leuchtdioden (OLEDs) verglichen. Im weiteren Verlauf werden die optoelektronischen Prozesse in dotierten OLEDs untersucht, ausgehend von hohen Dotierkonzentrationen bis hin zur Dotierung mit einzelnen Molekülen. Dadurch kann die Exzitonen-Ladungsträger Wechselwirkung auf und in der Umgebung von räumlich isolierten Molekülen analysiert werden.
N2  - In this work the room-temperature photophysics of single-photon sources of different material systems such as NV-centers, vacancies in silicon carbide and organic molecules are investigated. A high resolution home-built confocal microscope is used to detect and analyse the isolated single quantum emitters. Additionally, different methods and techniques for production of organic light emitting diodes (OLEDs) such as spin-coating, inkjet-printing and inkjet-etching are compared concerning their reproducibility and feasibility for structured OLED preparation. Subsequently, the opto-electronic processes in dye-doped polymeric OLEDs are examined for various doping concentrations ranging from high concentrations down to the doping by single molecules. This provides access to the investigation of the exciton-charge carrier interaction of single organic molecules in organic matrices.
KW  - Einzelphotonenquelle
KW  - Konfokale Mikroskopie
KW  - OLED
KW  - Single Photon Sources
KW  - confocal microscopy
KW  - Einzelphotonenemission
KW  - Konfokale Mikroskopie
KW  - OLED
KW  - Ladungsträger
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-150913
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TY  - THES
A1  - Steindamm, Andreas
T1  - Exzitonische Verlustmechanismen in organischen Bilagen-Solarzellen
T1  - Excitonic loss mechanisms in organic bilayer solar cells
N2  - Um die Wirkungsgrade organischer Solarzellen weiter zu steigern, ist ein Verständnis der auftretenden Verlustmechanismen entscheidend. Im Vergleich zu anorganischen photovoltaischen Zellen sind in den organischen Halbleitern die durch Absorption erzeugten Elektron-Loch-Paare, die als Exzitonen bezeichnet werden, sehr viel stärker gebunden. Daher müssen sie an einer Heterogrenzfläche, gebildet durch ein Donator- und ein Akzeptormaterial, in freie Ladungsträger getrennt werden. Mit dem erforderlichen Transportweg an die Heterogrenzschicht sind Rekombinationsverluste der exzitonischen Anregungen verbunden, die aus einer Vielzahl unterschiedlicher Prozesse resultieren und einen der Hauptverlustkanäle in organischen Solarzellen darstellen. 
Aus diesem Grund wird der Fokus dieser Arbeit auf die Charakterisierung und mögliche Reduzierung solcher exzitonischen Verlustmechanismen gelegt. Als Modellsystem wird dazu eine planare Bilagen-Struktur auf Basis des Donatormaterials Diindenoperylen (DIP) und des Akzeptors Fulleren C60 verwendet. Durch die Kombination von elektrischen und spektroskopischen Messmethoden werden unterschiedliche exzitonische Verlustmechanismen in den aktiven Schichten charakterisiert und die zugrunde liegenden mikroskopischen Ursachen diskutiert. Dazu wird zuerst auf die strukturellen, optischen und elektrischen Eigenschaften von DIP/C60-Solarzellen eingegangen. In einem zweiten Abschnitt werden die mikroskopischen Einflüsse einer Exzitonen blockierenden Lage (EBL, exciton blocking layer) aus Bathophenanthrolin (BPhen) durch eine komplementäre Charakterisierung von Photolumineszenz und elektrischen Parametern der Solarzellen untersucht, wobei auch die Notwendigkeit der EBL zur Unterbindung von Metalleinlagerungen in den aktiven organischen Schichten analysiert wird. Die anschließende Studie der Intensitäts- und Temperaturabhängigkeit der j(U)-Kennlinien gibt Aufschluss über die intrinsischen Zellparameter sowie die Rekombinationsmechanismen von Ladungsträgern in den aktiven Schichten. Ferner werden durch temperaturabhängige spektroskopische Untersuchungen der Photo- und Elektrolumineszenz der Solarzellen Informationen über die elektronischen Zustände der DIP-Schicht erlangt, die für Rekombinationsverluste der generierten Exzitonen verantwortlich sind. Zusätzlich werden Raman-Messungen an den Solarzellen und Einzelschichten diskutiert. In einer abschließenden Studie werden exzitonische Verluste unter Arbeitsbedingungen der Solarzelle durch Ladungsträgerwechselwirkungen in der Donator-Schicht quantifiziert. In dieser Arbeit konnten verschiedene relevante Verlustprozesse in organischen Solarzellen reduziert werden. Durch die Identifizierung der mikroskopischen Ursachen dieser Verluste wurde eine wichtige Voraussetzung für eine weitere Steigerung der Leistungseffizienz geschaffen.
N2  - To increase the efficiencies of organic solar cells, understanding of the occurring loss mechanisms is crucial. In comparison to inorganic photovoltaic cells the electron hole pairs, referred to as excitons, are bound much stronger in organic semiconductors. Therefore dissociation into free charge carriers takes place at a hetero interface of a donor and an acceptor material. The necessary diffusion path to this interface entails recombination loss mechanisms resulting from diverse processes which represent one of the main loss channels in organic solar cells.
Thus the focus of this work is set on the characterization and potential reduction of such excitonic loss mechanisms. As a model system planar heterojunction solar cells consisting of diindenoperylene (DIP) as donor and fullerene C60 as acceptor material were used. By combining electrical with spectroscopic measurement techniques diverse excitonic loss mechanisms in the active layers are characterized and the underlying microscopic processes are discussed. Firstly the structural, optical and electrical properties of the DIP/C60 solar cells are observed. In a second section the microscopic effects of an exciton blocking layer (EBL) consisting of bathophenanthroline (BPhen) are investigated by a complementary analysis of photoluminescence and electrical parameters of the solar cells. In doing so also metal penetration into the active organic layers is analyzed and effectively suppressed. The following study of intensity and temperature dependent j(V) characteristics reveals intrinsic cell parameters as well as recombination mechanisms of charge carriers in the active layers. Moreover information about the electronic states of the DIP layer responsible for recombination losses is obtained by temperature dependent spectroscopic analyses of photo- and electroluminescence of the solar cells. Additionally Raman spectra of solar cells and the individual organic thin films are discussed. Finally excitonic losses in solar cells at working conditions due to charge carrier interaction are quantified for the donor layer. During this work diverse relevant loss mechanisms in organic solar cells could be reduced. By identifying the microscopic origins of such losses an important prerequisite was set for further power efficiency enhancement of organic photovoltaic cells.
KW  - Organische Solarzelle
KW  - Exziton
KW  - Diindenoperylen
KW  - diindenoperylene
KW  - C60
KW  - Bathophenanthrolin
KW  - bathophenanthroline
KW  - Bilagen-Solarzelle
KW  - exciton blocking layer
KW  - Rekombination
KW  - Photolumineszenz
KW  - Elektrolumineszenz
KW  - Raman-Spektroskopie
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-124002
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TY  - THES
A1  - Seifert, Annika Kristina
T1  - Unidirectional freezing of soft and hard matter for biomedical applications
T1  - Unidirektionales Gefrieren von weichen und harten Materialien für biomedizinische Anwendungen
N2  - A multitude of human tissues, such as bones, tendons, or muscles, are characterized by a hierarchical and highly ordered structure. In many cases, the loss of these tissues requires reconstruction using biocompatible replacement materials. In the field of bone replacement, the pore structure of the material has a crucial influence. Anisotropic porosity would have the advantage of facilitating the ingrowth of cells and newly formed blood vessels as well as the transport of nutrients.
In this thesis, scaffolds with a highly ordered and anisotropic pore structure were fabricated using unidirectional freezing. 
Systematic investigations were carried out on biopolymer solutions (alginate and chitosan) to gain a deeper understanding of the freeze-structuring process. The knowledge gained was then applied to the development of anisotropically structured bone substitute materials. Here, the previously existing material platform for anisotropically structured calcium phosphates was extended to low-temperature phases such as calcium deficient hydroxyapatite (CDHA) or the secondary phosphates monetite and brushite. 
After the implantation of a biomaterial, the inevitably triggered initial immune response plays a key role in the success of a graft, with immune cells such as neutrophils or macrophages being of particular importance. In this thesis, the influence of anisotropically structured alpha-TCP and CDHA scaffolds as well as their unstructured references on human monocytes/macrophages was investigated. Macrophages produced extracellular traps (ETs) due to mineral nanoparticles formed by the binding of phosphate and calcium ions to human platelet lysate. In particular, incubation of alpha-TCP samples in lysate containing cell culture medium resulted in pronounced particle formation and enhanced release of ETs.
N2  - Eine Vielzahl menschlicher Gewebe, wie beispielsweise Knochen, Sehnen oder Muskeln, ist durch eine hierarchische und zum Teil hochgradig geordnete Struktur gekennzeichnet. Der beispielsweise durch Unfälle oder Krankheiten bedingte Verlust dieser Gewebe erfordert in vielen Fällen eine Rekonstruktion mit biokompatiblen Ersatzmaterialien. Neben der chemischen Zusammensetzung spielt deren Architektur eine wichtige Rolle für die Geweberegeneration und schließlich den Heilungserfolg des Implantats. Auch im Bereich des Knochenersatzes hat die Porenstruktur des Materials hierauf einen zentralen Einfluss, wobei der Einsatz von Materialien mit anisotroper Porosität neben der strukturellen Nachahmung des Gewebes den Vorteil hätte, dass das Einwachsen von Zellen und neu gebildeten Blutgefäßen sowie der Nährstofftransport erleichtert würden.
In der vorliegenden Doktorarbeit wurden anisotrop poröse Scaffolds mit einer hochgradig geordneten Porenstruktur mit Hilfe der Gefrierstrukturierung hergestellt. Hierfür wurde eine in früheren Arbeiten entwickelte Anlage verwendet, um einen definierten Temperaturgradienten in der Probe zur gerichteten Erstarrung zu erzeugen.  Der Kern des Systems besteht aus zwei übereinander angeordneten Peltier-Elemente (PEs), zwischen denen sich die Probenlösung befindet. Durch die Variation der PE-Temperaturen kann das Eiskristallwachstum und schließlich die Porenstruktur innerhalb des Biomaterials gezielt beeinflusst und an die Anforderungen einer gewünschten Anwendung angepasst werden.
Das Ziel dieser Arbeit war, ein tieferes Verständnis des Gefrierstrukturierungsprozesses zu erlangen und die gewonnenen Erkenntnisse auf die Entwicklung anisotrop poröser Knochenersatzmaterialien zu übertragen. Hierfür wurden in Kapitel 3 zunächst systematische Untersuchungen an Biopolymerlösungen (Alginat und Chitosan) durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass neben dem äußeren Temperaturgradienten auch die Temperaturen der PEs, die Kühlrate sowie Materialeigenschaften wie das Molekulargewicht, die Konzentration und die Viskosität der Lösung die Porenstruktur beeinflussen. Die Temperatur des Gesamtsystems bestimmte sowohl die Kühlrate als auch die Porendurchmesser, so dass höhere Kühlraten zu kleineren Poren führten. Die Porenorientierung konnte hingegen durch den externen Temperaturgradienten beeinflusst werden, wobei die Poren mit steigendem Gradienten zunehmend senkrecht zur Probenoberfläche orientiert ausgerichtet waren. Bestimmte Parameterkonstellationen, wie beispielsweise eine Temperatur der unteren Kühlfläche unterhalb von  60 °C kombiniert mit einer geringen Temperatur des oberen PE sowie eine hohe Viskosität (über 5 Pas nahe 0 °C) der Vorlösung führten allerdings dazu, dass die Porenausrichtung nicht mehr kontrollierbar war.
Auf Basis von Kapitel 4 konnte die bis dato für anisotrop strukturierte Calciumphosphate existierende Materialplattform auf Niedrigtemperaturphasen wie calciumarmen Hydroxylapatit (CDHA) oder die sekundären Phosphate Monetit und Bruschit erweitert werden. Hierfür wurde gesintertes oder ungesintertes -Tricalciumphosphat (-TCP) mit anisotroper Porenstruktur durch hydrothermale Behandlung oder Inkubation in Phosphorsäure in die oben genannten Phasen umgewandelt. Durch die hydrothermale Behandlung konnte sowohl bei ungesinterten als auch bei gesinterten -TCP-Proben eine Phasenumwandlung in CDHA erzielt werden. Die Inkubation in Phosphorsäure führte zu einer Umwandlung in Monetit und Bruschit. Durch die hydrothermale Behandlung für 72 h bei 175 °C erhöhte sich die Porosität der ungesinterten Proben geringfügig von 85 % auf 88 %, während bei den gesinterten Proben ein Anstieg von 75 % auf 88 % zu beobachten war. Darüber hinaus ging eine Phasenumwandlung in CDHA durch die Bildung von feinen Kristallnadeln und -plättchen mit einer Vergrößerung der spezifischen Oberfläche einher. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften war besonders bemerkenswert, dass die Druckfestigkeit der ungesinterten Proben durch die Phasenumwandlung in Monetit signifikant von (0.76  0.11) auf (5.29  0.94) MPa erhöht wurde.
In Kapitel 5 wurde der Einfluss von anisotrop porösen -TCP und CDHA Scaffolds sowie unstrukturierten und aus den gleichen Calciumphosphatphasen bestehenden Referenzproben auf humane Monozyten/Makrophagen untersucht. Nach der Implantation eines Biomaterials spielt die unweigerlich ausgelöste erste Immunreaktion eine Schlüsselrolle für den Erfolg eines Transplantats, wobei Immunzellen wie Neutrophile oder Makrophagen eine entscheidende Rolle spielen. Makrophagen können zur Immobilisierung und zum Abtöten von Mikroorganismen extrazelluläre Fasern (ETs) produzieren. Während in früheren Arbeiten nachgewiesen werden konnte, dass Neutrophile als Reaktion auf Biomaterialien ETs produzieren können, wurde dieser Mechanismus für Makrophagen erstmals in der vorliegenden Doktorarbeit gezeigt. Die ET-Freisetzung wurde von mineralischen Nanopartikeln ausgelöst, welche durch die Bindung von Phosphat- und Calciumionen an menschliches Thrombozytenlysat gebildet wurden. Insbesondere die Inkubation von  TCP Proben in lysathaltigem Zellkulturmedium führte zu einer ausgeprägten Partikelformierung und schließlich zu einer verstärkten Bildung von ETs. Dies ging mit einer erhöhten Freisetzung von pro-inflammatorischen Zytokinen im Vergleich zu CDHA einher. 
An diese Arbeit anschließende Experimente könnten beispielsweise die Wiederholung von systematischen Studien, wie sie in Kapitel 3 für Biopolymere vorgestellt wurden, mit synthetischen Polymeren wie Polyvinylalkohol (PVA) umfassen. PVA ist ein für den Einsatz als Kryoprotektor vielversprechendes Material, dessen Verwendung für die Kryokonservierung von biologischen Materialien zwingend notwendig ist. Darüber hinaus wäre die Durchführung von in vivo Experimenten erforderlich, um die starke Freisetzung von ETs durch Makrophagen als Reaktion auf strukturierte -TCP Scaffolds sowie die geringere Expression auf CDHA Scaffolds eingehender zu analysieren.
KW  - Freezing
KW  - Morphology
KW  - Unidirectional Freezing
KW  - Anisotropic structures
KW  - Calcium phosphate-based biomaterials
KW  - Macrophage extracellular traps
KW  - Gefrierstrukturierung
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-277281
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schummer, Bernhard
T1  - Stabilisierung von CdS Nanopartikeln mittels Pluronic P123
T1  - Stabilization of CdS nanoparticles using Pluronic P123
N2  - Ziel dieser Arbeit war die Stabilisierung von Cadmiumsulfid CdS mit Pluronic P123, einem Polymer.
CdS ist ein Halbleiter, der zum Beispiel in der Photonik und bei optischen Anwendungen eingesetzt wird und ist deshalb äußerst interessant, da seine Bandlücke als Nanopartikel verschiebbar ist. Für die Photovoltaik ist es ein attraktives Material, da es im sichtbaren Licht absorbiert und durch die Bandlückenverschiebung effektiver absorbieren kann. Dies ist unter dem Namen Quantum Size Effekt bekannt. Als Feststoff ist CdS für einen solchen Anwendungsbereich weniger geeignet, zumal der Effekt der Bandlückenverschiebung dort nicht auftritt. Wissenschaftler bemühen sich deshalb CdS als Nanopartikeln zu stabilisieren, weil CdS in wässrigen Lösungen ein stark aggregierendes System, also stark hydrophob ist. Es wurden zwei Kriterien für die erfolgreiche Stabilisierung von CdS festgelegt. Zum einen muss das Cds homogen im Medium verteilt sein und darf nicht agglomerieren. Zum anderen, müssen die CdS Nanopartikel kleiner als 100 A sein.
In meiner Arbeit habe ich solche Partikel hergestellt und stabilisiert, d.h. verhindert, dass die Partikel weiterwachsen und gleichzeitig ihre Bandlücke verschoben wird. Die Herausforderung liegt nicht in der Herstellung, aber in der Lösung von CdS im Trägerstoff, da CdS in den meisten Flüssigkeiten nicht löslich ist und ausfällt. Die Stabilisierung in wässrigen Lösungen wurde das erste Mal durch Herrn Prof. Dr. Rempel mit Ethylendiamintetraessigsäure EDTA erfolgreich durchgeführt. Mit EDTA können jedoch nur sehr kleine Konzentrationen stabilisiert werden. Zudem können Parameter wie Größe und Geschwindigkeit der Reaktion beim Stabilisieren der CdS-Nanopartikel nicht angepasst oder beeinflusst werden. Dieses Problem ist dem, vieler medizinischer Wirkstoffe sehr ähnlich, die in hohen Konzentrationen verabreicht werden sollen, aber nicht oder nur schwer in Wasser löslich sind (Bsp. Kurkumin). Ein vielversprechender Lösungsweg ist dort, die Wirkstoffe in große Trägerpartikel (sog. Mizellen) einzuschleusen, die ihrerseits gut löslich sind. In meiner Arbeit habe ich genau diesen Ansatz für CdS verfolgt. Als Trägerpartikel/Mizelle wurde das bekannte Copolymer Pluronic P123 verwendet. Aus dieser Pluronic Produktreihe wird P123 gewählt, da es die größte Masse bei gleichzeitig höchstem Anteil von Polypropylenoxid PPO im Vergleich zur Gesamtkettenlänge hat. P123 ist ein ternäres Polyether oder Dreiblockkopolymer und wird von BASAF industriell produziert. Es besteht aus drei Böcken, dem mittlere Block Polypropylenoxid PPO und den beiden äußeren Blöcken Polyethylenoxid PEO. Der Buchstabe P steht für pastös, die ersten beiden Ziffern in P123 mit 300 multipliziert ergeben das molare Gewicht und die letzte Ziffer mit 10 multipliziert entspricht dem prozentualen Gewichtsanteil PEO. Die Bildung von Mizellen aus den P123 Molekülen kann bewusst über geringe Temperaturänderungen gesteuert werden. Bei ungefähr Raumtemperatur liegen Mizellen vor, die sich bei höheren Temperaturen von sphärischen in wurmartige Mizellen umwandeln. Oberhalb einer Konzentration von 30 Gewichtsprozent wtp bilden die Mizellen außerdem einen Flüssigkristall. Ich habe in meiner Arbeit zunächst P123 mit Hilfe von Röntgenstreuung untersucht. Anders als andere Methoden gibt Röntgenstreuung direkten Aufschluss über die Morphologie der Stoffe. Röntgenstreuung kann die Mischung von P123 mit CdS abbilden und lässt darauf schließen, ob das Ziel erreicht werden konnte, stabile CdS Nanopartikel in P123 zu binden.
Für die Stabilisierung der Nanopartikel ist es zunächst notwendig die richtigen Temperaturen für die Ausgangslösungen und gemischten Lösungen zu finden. Dazu muss P123 viel genauer untersucht werden, als der momentane Kenntnisstand in der Literatur. Zu diesem Zweck als auch für die Analyse des stabilisierten CdS habe ich ein neues Instrument am LRM entwickelt, sowie eine temperierbare Probenumgebung für Flüssigkeiten fürs Vakuum, um morphologische Eigenschaften aus Streuamplituden und -winkeln zu entschlüsseln. Diese Röntgenstreuanlage wurde konzipiert und gebaut, um auch im Labor P123 in kleinen Konzentrationen messen zu können. Röntgenkleinwinkelstreuung eignet sich besonders als Messmethode, da die Probe mit einer hohen statistischen Relevanz in Flüssigkeit und in verschiedenen Konzentrationen analysiert werden kann.
Für die Konzentrationen 5, 10 und 30 wtp konnte das temperaturabhängige Verhalten von P123 präzise mit Röntgenkleinwinkelstreuung SAXS gemessen und dargestellt werden. Für 5 wtp konnten die Größen der Unimere und Mizellen bestimmt werden. Trotz der nicht vorhandenen Absolutkalibration für diese Konzentration konnten dank des neu eingeführten Parameters kappa eine Dehydrierung der Mizellen mit steigender Temperatur abgeschätzt, sowie eine Hysterese zwischen dem Heizen und Abkühlen festgestellt werden. Für die Konzentration von 10 wtp wurden kleinere Temperaturschritte gewählt und die Messungen zusätzlich absolut kalibriert. Es wurden die Größen und Streulängendichten SLD der Unimere und Mizellen präzise bestimmt und ein vollständiges Form-Phasendiagramm erstellt. Auch für diese Konzentration konnte eine Hysterese eindeutig an der Größe, SLD und am Parameter kappa gezeigt werden, sowie eine Dehydrierung des Mizellenkerns. Dies beweist, dass der Parameter kappa geeignet ist, um bei nicht absolut kalibrierten Messungen, Aussagen über die Hydrierung und Hysterese komplexer Kern-Hülle Modelle zu machen. Für die Konzentration von 30 wtp konnte zwischen 23°C und 35°C eine FCC Struktur nachgewiesen werden. Dabei vergrößert sich die Gitterkonstante der FCC Struktur von 260 A auf 289 A in Abhängigkeit der Temperatur.
Durch das Mischen zweier Lösungen, zum einen CdCl2 und 30 wtp P123 und zum anderen Na2S und 30 wtp P123, konnte CdS erfolgreich stabilisiert werden. Mit einer Kamera wurde die Gelbfärbung der Lösung, und somit die Bildung des CdS, in Abhängigkeit der Zeit untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass das Bilden der CdS Nanopartikel je nach Konzentration und Temperierprogramm zwischen 30 und 300 Sekunden dauert und einer logistischen Wachstumsfunktion folgt. Höhere Konzentrationen CdS bewirken einen schnelleren Anstieg der Wachstumsfunktion. Mittels UV-Vis Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass die Bandlücke von CdS mit steigender Konzentration konstant bei 2,52 eV bleibt. Eine solche Verschiebung der Bandlücke von ungefähr 0,05 eV im Vergleich zum Festkörper, deutet auf einen CdS Partikeldurchmesser von 80A hin. Mit SAXS konnte gezeigt werden, dass sich die flüssigkristalline Struktur des P123 bei zwei verschiedenen Konzentrationen CdS, von 0,005 und 0,1 M, nicht ändert. Das CdS wird zwischen den Mizellen, also durch die Bildung des Flüssigkristalls, und im Kern der Mizelle aufgrund seiner Hydrophobizität stabilisiert. Die Anfangs definierten Kriterien für eine erfolgreiche Stabilisierung wurden erfüllt.
P123 ist ein hervorragend geeignetes Polymer, um hydrophobes CdS, sowohl durch die Bildung eines Flüssigkristalls, als auch im Kern der Mizelle zu stabilisieren.
N2  - Aim of this work was the stabilization of cadmium sulphide CdS with Pluronic P123, a polymer.
CdS is a semiconductor, which is used for photonics and for optical applications. It is highly interesting since its band gap can be shifted if it has the size of a nanoparticle. Due to this band gap shift and the fact that CdS is absorbing in the visible range, it is highly attractive material. This is known as the quantum size effect. As a solid, CdS is less interesting in this area because of the non-existing band gap shift. Scientists endeavor to stabilize CdS as a nanoparticle, since CdS is hydrophobic in aqueous solutions and thus a strongly aggregating system.
Two criteria of a successful stabilization process were set. Firstly, CdS has to be homogeneously distributed in the solution and must not aggregate. Secondly, the nanoparticles must be smaller then 100A.
During my thesis I produced such particles and stabilized them homogeneously in an aqueous solution, which meant to hinder the further growth of those nanopaticles while shifting their band gap. The challenge is not the production, but the encapsulation of CdS in a carrier, since CdS is not soluble in most solutions and precipitates. Such a stabilization in an aqueous solution was succeeded by Prof. Dr. Rempel with ethylenediaminetetraacetic acid EDTA as a stabilizer for the first time. But with EDTA only very small concentrations of CdS can be stabilized. Moreover, properties like size and reaction speed during the stabilization of the CdS nanoparticles cannot be adjusted or influenced.
This problem is also known from medical agents, which should be administered in high doses, but are not or barely soluble in water like Curcumin. A promising solution is to encapsulate these medical agents in big carrier, so-called micelles, which themselves are soluble in water. In my thesis I followed this approach for CdS.
As a carrier/micelle the well known copolymer Pluronic P123 was used. Compared to other Pluronics, P123 was chosen since it offers the biggest mass with the highest proportion of polypropylene oxide PPO compared to the total chain length. P123 is a ternary polyether and is produced industrially by BASF. It consists of three blocks, where the middle one is PPO and the outer blocks are polyethylene oxide PEO. The letter P stands for pasty while the first two numbers in P123 multiplied with 300 equal the molar mass and the last number multiplied with 10 equals the mass proportion of PEO. The formation of micelles can be triggered on purpose with a change in temperature. Micelles are present at approximately room temperature \cite{Manet2011}, which transform from spherical to worm-like micelles at higher temperatures. Above a certain concentration of 30 weight percent, the micelles will form a liquid crystal.
In my work I first examined P123 with X-ray scattering. Unlike other methods, X-ray scattering gives direct information about the morphology of the substances. X-ray scattering can also be used to study the mixture of P123 with CdS and indicates, whether the goal of encapsulate stable CdS nanoparticles in P123 could be achieved.
To stabilize the nanoparticles, it is first necessary to find the right temperatures for both the staring point and the end point of the stabilization process. For this purpose, P123 has to be examined much more precisely than the current state of knowledge in the literature. For this purpose as well as for the analysis of the stabilized CdS, I have developed a new instrument at the chair of X-ray microscopy, as well as a temperature controllable sample holder for liquids in vacuum to decipher morphological properties from scattering amplitudes and angles. This X-ray scattering system was designed and built in order to be able to measure P123 in small concentrations in the laboratory. Small-angle X-ray scattering is particularly suitable as a measurement method, since the sample can be analyzed with a high statistical relevance in liquid and in various concentrations.
For the concentrations 5, 10 and 30 wtp, the temperature-dependent behavior of P123 could be precisely measured and presented using small-angle X-ray scattering. The sizes of the unimers and micelles could be determined for 5 wtp without an absolute calibration. With a newly introduced parameter kappa, the dehydration of the micelles with increasing temperature could be estimated, despite the lack of the absolute calibration for this concentration, as well as a hysteresis between heating and cooling. Smaller temperature steps were chosen for the concentration of 10 wtp, furthermore the measurements were also absolutely calibrated. The sizes and scattering length densities SLDs of the unimers and micelles were precisely determined and a complete shape-phase diagram was created. Also for this concentration, a hysteresis was clearly shown in terms of size, SLD and the parameter kappa, as well as dehydration of the micellar nucleus. This proves that the parameter kappa is suitable for making statements about the hydrogenation and hysteresis of complex core-shell models in the case of measurements that are not absolutely calibrated. For the concentration of 30 wtp an FCC structure could be detected between 23°C and 35°C. The lattice constant of the FCC structure increases from 260 A to 289 A depending on the temperature.
By mixing two solutions, CdCl2 in a 30 wtp P123 and Na2S in 30 wtp P123, CdS could be successfully stabilized. The yellow coloration of the solution, and thus the formation of CdS, was examined as a function of time with the help of a camera. It was found that the formation of the CdS nanoparticles takes between 30 and 300 seconds, depending on the concentration and temperature protocol and follows a logistical growth function. Higher concentrations of CdS cause a more rapid increase in growth function. Using UV-Vis spectroscopy it could be shown that the band gap of CdS remains constant at 2.52 eV with increasing concentration. The shift in the band gap of approximately 0.05 eV compared to the solid state, indicates a CdS particle diameter of 80 A. With SAXS it could be shown that the liquid-crystalline structure of the P123 does not change at two different concentrations of CdS, of 0.005 and 0.1 M. The CdS is stabilized between the micelles due to the formation of the liquid crystal and in the core of the micelles due to their hydrophobicity. The initially defined criteria for successful stabilization were met.
P123 is an excellent polymer to stabilize hydrophobic CdS nanoparticles, both through the formation of a liquid crystal and in the core of the micelles.
KW  - Röntgen-Kleinwinkelstreuung
KW  - Polymere
KW  - Cadmiumsulfid
KW  - Röntgen-Weitwinkelstreuung
KW  - Nanopartikel
KW  - Stabilisierung
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-238443
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schrauth, Manuel
T1  - Critical Phenomena in Topologically Disordered Systems
T1  - Kritische Phänomene in topologisch ungeordneten Systemen
N2  - Clearly, in nature, but also in technological applications, complex systems built in an entirely ordered and regular fashion are the exception rather than the rule. In this thesis we explore how critical phenomena are influenced by quenched spatial randomness. Specifically, we consider physical systems undergoing a continuous phase transition in the presence of topological disorder, where the underlying structure, on which the system evolves, is given by a non-regular, discrete lattice. We therefore endeavour to achieve a thorough understanding of the interplay between collective dynamics and quenched randomness.

According to the intriguing concept of universality, certain laws emerge from collectively behaving many-body systems at criticality, almost regardless of the precise microscopic realization of interactions in those systems. As a consequence, vastly different phenomena show striking similarities at their respective phase transitions. In this dissertation we pursue the question of whether the universal properties of critical phenomena are preserved when the system is subjected to topological perturbations. For this purpose, we perform numerical simulations of several prototypical systems of statistical physics which show a continuous phase transition. In particular, the equilibrium spin-1/2 Ising model and its generalizations represent -- among other applications -- fairly natural approaches to model magnetism in solids, whereas the non-equilibrium contact process serves as a toy model for percolation in porous media and epidemic spreading. Finally, the Manna sandpile model is strongly related to the concept of self-organized criticality, where a complex dynamic system reaches a critical state without fine-tuning of external variables. 
			
Our results reveal that the prevailing understanding of the influence of topological randomness on critical phenomena is insufficient. In particular, by considering very specific and newly developed lattice structures, we are able to show that -- contrary to the popular opinion -- spatial correlations in the number of interacting neighbours are not a key measure for predicting whether disorder ultimately alters the behaviour of a given critical system.
N2  - Ohne Zweifel stellen vollständig regelmäßig aufgebaute komplexe Systeme sowohlin der Natur als auch in technischen Anwendungen eher die Ausnahme als die Regel dar. In dieser Arbeit erforschen wir, wie sogenannte kritische Phänomene durch eingefrorene räumliche Unordnung beeinflusst werden. Konkret untersuchen wir physikalische Systeme, welche einen kontinuierlichen Phasenübergang aufweisen, in Gegenwart von topologischer Unordnung. Die räumliche Struktur, auf der sich das dynamische System entwickelt, ist in diesem Fall durch ein unregelmäßiges diskretes Gitter gegeben. Die Erlangung eines tiefergehenden Verständnisses des Zusammenspiels von physikalischer Dynamik und räumlicher Unordnung kann daher als das Hauptziel unserer Unternehmung angesehen werden. Ein gleichermaßen faszinierendes wie zentrales Konzept in der statistischen Physik stellt die sogenannte Universalität dar, gemäß welcher das kollektive Verhaltenvon Vielkörpersystemen im kritischen Bereich nahezu unabhängig von der spezifischen mikroskopischen Realisierung der Wechselwirkungen ist. Als Konsequenz sind selbst in völlig unterschiedlichen Systemen bemerkenswerte Ähnlichkeiten an den jeweiligen Phasenübergängen beobachtbar. Diese Dissertation geht nun der Frage nach, inwieweit diese universalen Eigenschaften erhalten bleiben, wenn das System topologischen Störungen ausgesetzt wird. Zu diesem Zweck werden umfangreiche numerische Monte-Carlo-Simulationen von einigen prototypischen Systemen, welche einen kontinuierlichen Phasenübergang aufweisen, durchgef ührt. Ein prominentes Beispiel für ein System im thermodynamischen Gleichgewicht stellt dabeidas Spin-1/2 Ising-Modell dar, welches unter anderem magnetische Eigenschaftenvon Festkörpern modelliert. Zusätzlich werden auch Systeme fernab des Gleichgewichts behandelt, wie etwa der Kontaktprozess, welcher ein vereinfachtes Modell für Perkolationsprozesse in porösen Stoffen oder auch für die Ausbreitung von Epidemien darstellt, sowie spezielle Modelle, welche in engem Zusammenhang mit selbstorganisiertem kritischen Verhalten stehen. Unsere Ergebnisse demonstrieren, dass der Einfluss von topologischen Störungen auf kritische Phänomene derzeit noch unzureichend verstanden ist. Insbesondere gelingt es uns mittels spezieller eigens entwickelter Gitterkonstruktionen zu zeigen, dass lokale räumliche Korrelationen in der Anzahl von wechselwirkenden Nachbarn, entgegen weitläufiger Meinung, kein adäquates Maß sind, um den Einfluss von Unordnung auf das Verhalten eines kritischen Systems vorhersagen zu können.
KW  - Ising-Modell
KW  - Nichtgleichgewichts-Phasenübergang
KW  - Unstrukturiertes Gitter
KW  - Ordnungs-Unordnungs-Umwandlung
KW  - Monte-Carlo-Simulation
KW  - Monte Carlo simulations
KW  - Ising model
KW  - Directed Percolation
KW  - Phase Transition
KW  - Critical Phenomena
KW  - Geometry
KW  - Disordered Lattice
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-234998
ER  - 
TY  - THES
A1  - Röding, Sebastian
T1  - Coherent Multidimensional Spectroscopy in Molecular Beams and Liquids Using Incoherent Observables
T1  - Kohärente Multidimensionale Spektroskopie in Molekularstrahlen und Flüssigkeiten durch inkohärente Observablen
N2  - Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Umsetzung einer experimentellen Herangehensweise, welche die kohärente zweidimensionale (2D) Spektroskopie an Proben in unterschiedlichen Aggregatzuständen ermöglicht.
Hierzu wurde zunächst ein Aufbau für flüssige Proben realisiert, in welchem die emittierte Fluoreszenz als Messsignal zur Aufnahme der 2D Spektren genutzt wird. Im Gegensatz zu dieser bereits etablierten Methode in der flüssigen Phase stellt die in dieser Arbeit außerdem vorgestellte 2D Spektroskopie an gasförmigen Proben in einem Molekularstrahl einen neuen Ansatz dar. Hierbei werden zum ersten Mal Kationen mittels eines Flugzeitmassenspektrometers als Signal verwendet und somit ionen-spezifische 2D Spektren isolierter Moleküle erhalten. Zusätzlich zu den experimentellen Entwicklungen wurde in dieser Arbeit ein neues Konzept zur Datenerfassung in der 2D Spektroskopie entworfen, welches mit Hilfe einer optimierten Signalabtastung und eines Compressed-Sensing Rekonstruktionsalgorithmus die Aufnahmezeit der Daten deutlich reduziert.

Charakteristisch für die in dieser Arbeit eingesetzte Variante der 2D Spektroskopie ist die Verwendung einer phasenkohärenten Sequenz bestehend aus vier Laserimpulsen in einer kollinearen Laserstrahlgeometrie zur Anregung der Probe. Diese Impulssequenz wurde durch einen Laserimpulsformer erzeugt, der durch Änderung der relevanten Laserimpulsparameter mit der Wiederholrate des Lasers eine schnelle Datenerfassung ermöglicht. Die Antwort der Probe auf diese Anregung wurde durch inkohärente Observablen gemessen, welche proportional zur Population des angeregten Zustandes sind, wie zum Beispiel Fluoreszenz oder Ionen. Um aus diesem Signal während der Datenanalyse die gewünschten nichtlinearen Beiträge zu extrahieren, wurde die Messung mit verschiedenen Kombinationen der relativen Phase zwischen den Laserimpulsen wiederholt ("Phase Cycling").

Der Aufbau zur 2D Spektroskopie in flüssiger Phase mit Fluoreszenz-Detektion wurde an Hand von 2D Spektren des Laserfarbstoffes Cresyl Violett charakterisiert. Hierbei wurden Oszillationen in verschiedenen Bereichen des 2D Spektrums beobachtet, welche durch vibronische Kohärenzen hervorgerufen werden und mit früheren Beobachtungen in der Literatur übereinstimmen.

Mit dem gleichen Datensatz wurde im nächsten Schritt das neue Konzept zur optimierten Datenerfassung demonstriert. Um ein optimiertes Schema für die Signalabtastung zu finden, wurde ein genetischer Algorithmus implementiert, wobei nur ein Viertel der eigentlichen Datenpunkte zur Messwerterfassung verwendet werden sollte. Dies reduziert die Zeitdauer der Datenerfassung auf ein Viertel der ursprünglichen Messzeit. Die Rekonstruktion des vollständigen Signales erfolgte mit Hilfe einer neuartigen, kompakten Darstellung von 2D Spektren basierend auf der von Neumann Basis. Diese Herangehensweise benötigte im Vergleich zur üblicherweise verwendeten Fourier Basis nur ein Sechstel der Koeffizienten um das Signal vollständig darzustellen und ermöglichte so die erfolgreiche Rekonstruktion der Oszillationen in Cresyl Violett aus einem reduzierten Datensatz. 

Mit Hilfe der neuartigen kohärenten 2D Spektroskopie an Molekularstrahlen wurden Übergänge von hoch angeregten Rydberg-Zuständen ins ionische Kontinuum in Stickstoffdioxid untersucht. Als dominierender Beitrag stellte sich hierbei der Übergang in auto-ionisierende Zustände heraus. Ein wesentlicher Vorteil der Datenerfassung über ein Flugzeitmassenspektrometer ist die Möglichkeit der gleichzeitigen Aufnahme von 2D Spektren der Edukte und Produkte einer chemischen Reaktion. Dies wurde in Experimenten zur Mehrphotonenionisation gezeigt, in denen deutliche Unterschiede in den 2D Spektren des Stickstoffdioxid-Kations und des Stickstoffmonoxid-Fragmentes sichtbar wurden, welche auf unterschiedliche Antwortfunktionen zurückzuführen sind.

Die in dieser Arbeit entwickelten experimentellen Techniken ermöglichen die schnelle Aufnahme von 2D Spektren für Proben in unterschiedlichen Aggregatzuständen und erlauben einen zuverlässigen, direkten Vergleich der Ergebnisse. Sie sind deshalb ein Wegbereiter für zukünftige Untersuchungen der Eigenschaften quantenmechanischer Kohärenzen in photophysikalischen Prozessen oder während photochemischer Reaktionen in unterschiedlichen Aggregatzuständen.
N2  - The aim of the present work was to implement an experimental approach that enables coherent two-dimensional (2D) electronic spectroscopy of samples in various states of matter. For samples in the liquid phase, a setup was realized that utilizes the sample fluorescence for the acquisition of 2D spectra. Whereas the liquid-phase approach has been established before, coherent 2D spectroscopy on gaseous samples in a molecular beam as developed in this work is in fact a new method. It employs for the first time cations in a time-of-flight mass spectrometer for signal detection and was used to obtain the first ion-selective 2D spectra of a molecular-beam sample. Additionally, a new acquisition concept was developed in this thesis that significantly decreases measurement times in 2D spectroscopy using optimized sparse sampling and a compressed-sensing reconstruction algorithm.

Characteristic for the variant of 2D spectroscopy presented in this work is the usage of a phase-coherent sequence of four laser pulses in a fully collinear geometry for sample excitation. The pulse sequence was generated by a custom-designed pulse shaper that is capable of rapid scanning by changing the pulse parameters such as time delays and phases with the repetition rate of the laser. The sample's response was detected by monitoring incoherent observables that arise from the final-state population, for instance fluorescence or cations. Phase cycling, i.e., signal acquisition with different combinations of the relative phases of the excitation pulses, was applied to extract nonlinear signal contributions from the full signal during data analysis. 

Liquid-phase 2D fluorescence spectroscopy was established with the laser dye cresyl violet as a sample molecule, confirming coherent oscillations previously observed in literature that are originating from vibronic coherences in specific regions of the 2D spectrum. 

The data set of this experiment was used subsequently to introduce optimized sparse sampling in 2D spectroscopy. An optimization algorithm was implemented in order to find the best sampling pattern while taking only one quarter of the regular time-domain sampling points, thereby reducing the acquisition time by a factor of four. Signal recovery was based on a new and compact representation of 2D spectra using the von Neumann basis, which required about six times less coefficients than the Fourier basis to retain the relevant information. Successful reconstruction was shown by recovering the coherent oscillations in cresyl violet from a reduced data set. 

Finally, molecular-beam coherent 2D spectroscopy was introduced with an investigation of ionization pathways in highly-excited nitrogen dioxide, revealing transitions to discrete auto-ionizing states as the dominant contribution to the ion signal. Furthermore, the advantage of the time-of-flight approach to obtain reactant and product 2D spectra simultaneously enabled the observation of distinct differences in the multiphoton-ionization response functions of the nitrogen dioxide cation and the nitrogen oxide ionic fragment.  

The developed experimental techniques of this work will facilitate fast acquisition of 2D spectra for samples in various states of matter and permit reliable direct comparison of results. Therefore, they pave the way to study the properties of quantum coherences during photophysical processes or photochemical reactions in different environments.
KW  - Femtosekundenspektroskopie
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - Pump-Probe Technik
KW  - Fourier-Spektroskopie
KW  - Coherent Multidimensional Spectroscopy
KW  - Time-Resolved Spectroscopy
KW  - Photochemistry
KW  - Laser Pulse Shaping
KW  - Sparse Sampling
KW  - Kohärente Multidimensionale Spektroskopie
KW  - Zeitaufgelöste Spektroskopie
KW  - Photochemie
KW  - Laserimpulsformung
KW  - Sparse Sampling
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-156726
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ochs, Maximilian Thomas
T1  - Electrically Connected Nano-Optical Systems: From Refined Nanoscale Geometries to Selective Molecular Assembly
T1  - Elektrisch Kontaktierte Nano-Optische Systeme: Von Komplexen Geometrien bis zur Gezielten Oberflächenmodifikation
N2  - Metallic nano-optical systems allow to confine and guide light at the nanoscale,
a fascinating ability which has motivated a wide range of fundamental as well
as applied research over the last two decades. While optical antennas provide
a link between visible radiation and localized energy, plasmonic waveguides
route light in predefined pathways. So far, however, most experimental demonstrations
are limited to purely optical excitations, i.e. isolated structures are
illuminated by external lasers. Driving such systems electrically and generating
light at the nanoscale, would greatly reduce the device footprint and pave the
road for integrated optical nanocircuitry. Yet, the light emission mechanism as
well as connecting delicate nanostructures to external electrodes pose key challenges
and require sophisticated fabrication techniques. This work presents various
electrically connected nano-optical systems and outlines a comprehensive
production line, thus significantly advancing the state of the art. Importantly,
the electrical connection is not just used to generate light, but also offers new
strategies for device assembly. In a first example, nanoelectrodes are selectively
functionalized with self-assembled monolayers by charging a specific electrode.
This allows to tailor the surface properties of nanoscale objects, introducing an
additional degree of freedom to the development of metal-organic nanodevices.
In addition, the electrical connection enables the bottom-up fabrication of tunnel
junctions by feedback-controlled dielectrophoresis. The resulting tunnel barriers
are then used to generate light in different nano-optical systems via inelastic
electron tunneling. Two structures are discussed in particular: optical Yagi-Uda
antennas and plasmonic waveguides. Their refined geometries, accurately fabricated
via focused ion beam milling of single-crystalline gold platelets, determine
the properties of the emitted light. It is shown experimentally, that Yagi-Uda
antennas radiate light in a specific direction with unprecedented directionality,
while plasmonic waveguides allow to switch between the excitation of two
propagating modes with orthogonal near-field symmetry. The presented devices
nicely demonstrate the potential of electrically connected nano-optical systems,
and the fabrication scheme including dielectrophoresis as well as site-selective
functionalization will inspire more research in the field of nano-optoelectronics.
In this context, different future experiments are discussed, ranging from the
control of molecular machinery to optical antenna communication.
N2  - Nano-optische Systeme ermöglichen es, Licht auf der Nanoskala zu fokussieren
und zu leiten - eine faszinierende Fähigkeit, die in den letzten zwei Jahrzehnten
ein breites Spektrum an Grundlagen- und angewandter Forschung motiviert
hat. Während optische Antennen lokalisierte Energie mit sichtbarer Strahlung
verknüpfen, leiten plasmonische Wellenleiter das Licht in vordefinierte Bahnen.
Bislang jedoch beschränken sich die meisten Experimente auf isolierte Strukturen,
die durch externe Lichtquellen angeregt werden. Die elektrisch getriebene
Lichterzeugung auf der Nanoskala reduziert den Platzbedarf dieser Systeme
erheblich und ebnet so den Weg für optische Nano-Schaltkreise. Allerdings
stellen sowohl die Lichtemission als auch die Kontaktierung der Nanostrukturen
erhebliche Herausforderungen dar. In dieser Arbeit werden verschiedene
elektrisch kontaktierte nano-optische Systeme vorgestellt. Eine zentrale Rolle
spielt dabei die Kontaktierung - nicht nur für die Lichterzeugung, sondern
auch für die Fabrikation der jeweiligen Strukturen. In einem ersten Beispiel
werden Nanoelektroden durch Anlegen einer Spannung selektiv mit molekularen
Monolagen beschichtet. Dadurch können die chemischen und elektronischen
Oberflächeneigenschaften von Nanoobjekten maßgeschneidert werden, was einen
zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Entwicklung von optoelektronischen Nanosystemen
darstellt. Darüber hinaus ermöglicht die elektrische Kontaktierung
die Herstellung von Tunnelbarrieren mittels Dielektrophorese, was die Lichterzeugung
in verschiedenen nano-optischen Systemen durch inelastisches Elektronentunneln
ermöglicht. Hier werden zwei Strukturen diskutiert: optische
Yagi-Uda-Antennen und plasmonische Wellenleiter. Ihre ausgeklügelten Geometrien,
hergestellt aus einkristallinen Goldflocken mittels fokussiertem Ionenstrahl,
bestimmen die Eigenschaften des emittierten Lichts. Es wird gezeigt,
dass Yagi-Uda-Antennen das Licht gezielt in eine bestimmte Richtung abstrahlen,
während plasmonische Wellenleiter das Schalten zwischen zwei propagierenden
Moden ermöglichen. Damit demonstriert diese Arbeit das Potenzial von
elektrisch kontaktierten nano-optischen Systemen und wird - in Kombination
mit Dielektrophorese und selektiver Funktionalisierung - weitere Forschungen
auf dem Gebiet der Nano-Optoelektronik anregen. In diesem Zusammenhang
werden verschiedene zukünftige Experimente, von der Steuerung molekularer
Maschinen bis zur optischen Antennenkommunikation, diskutiert.
KW  - Nanooptik
KW  - Antenne
KW  - Nanometerbereich
KW  - Wellenleiter
KW  - Optischer Richtfunk
KW  - Nanoantenne
KW  - Nanoantenna
KW  - Self-assembled Monolayer
KW  - Nanoscale
KW  - Optical Antenna
KW  - Plasmonic Waveguide
KW  - Optische Antenne
KW  - Plasmonischer Wellenleiter
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-291140
ER  - 
TY  - THES
A1  - Müller, Thomas M.
T1  - Computergestütztes Materialdesign: Mikrostruktur und elektrische Eigenschaften von Zirkoniumdioxid–Aluminiumoxid Keramiken
T1  - Computer-Aided Material Design: Microstructure and Electrical Properties of Zirconia-Alumina-Ceramics
N2  - Die Mikrostruktur von Zirkonoxid–Aluminiumoxid Keramiken wurde im Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht und mittels quantitativer Bildanalyse weiter charakterisiert. Die so erhaltenen spezifischen morphologischen Kennwerte wurden mit denen, die an dreidimensionalen Modellstrukturen äquivalent gewonnen wurden, verglichen. Es wurden modifizierte Voronoistrukturen benutzt, um die beteiligten Phasen in repräsentativen Volumenelementen (RVE) auf Voxelbasis zu erzeugen. Poren wurden an den Ecken und Kanten dieser Strukturen nachträglich hinzugefüg.
Nachdem alle relevanten Kennwerte der Modellstrukturen an die realen keramischen Mikrostrukturen angepasst wurden, musste das RVE für die Finite Element Simulationen (FES) geeignet vernetzt werden. Eine einfache Übernahme der Voxelstrukturen in hexaedrische Elemente führt zu sehr langen Rechenzeiten, und die erforderliche Genauigkeit der FES konnte nicht erreicht werden. Deshalb wurde zunächst eine adaptive Oberflächenvernetzung ausgehend von einem generally classed marching tetrahedra Algorithmus erzeugt. Dabei wurde besonderer Wert auf die Beibehaltung der zuvor angepassten Kennwerte gelegt. Um die Rechenzeiten zu verkürzen ohne die Genauigkeit der FES zu beeinträchtigen, wurden die Oberflächenvernetzungen dergestalt vereinfacht, dass eine hohe Auflösung an den Ecken und Kanten der Strukturen erhalten blieb, während sie an flachen Korngrenzen stark verringert wurde. Auf Basis dieser Oberflächenvernetzung wurden Volumenvernetzungen, inklusive der Abbildung der Korngrenzen durch Volumenelemente, erzeugt und für die FES benutzt. Dazu wurde ein FE-Modell zur Simulation der Impedanzspektren aufgestellt und validiert.
Um das makroskopische elektrische Verhalten der polykristallinen Keramiken zu simulieren, mussten zunächst die elektrischen Eigenschaften der beteiligten Einzelphasen gemessen werden. Dazu wurde eine Anlage zur Impedanzspektroskopie bis 1000 °C aufgebaut und verwendet. Durch weitere Auswertung der experimentellen Daten unter besonderer Berücksichtigung der Korngrenzeffekte wurden die individuellen Phaseneigenschaften erhalten.
Die Zusammensetzung der Mischkeramiken reichte von purem Zirkonoxid (3YSZ) bis zu purem Aluminiumoxid. Es wurde eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen und simulierten Werten bezüglich der betrachteten elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften erreicht. Die FES wurden verwendet, um die Einflüsse verschiedener mikrostruktureller Parameter, wie Porosität, Korngröße und Komposition, auf das makroskopische Materialverhalten näher zu untersuchen.
N2  - The microstructures of zirconia–alumina ceramics are investigated by scanning electron microscopy (SEM) and further characterised by quantitative image analysis. This leads to specific morphological parameters which are compared with the same parameters derived from three-dimensional model structures generated in voxel-based representative volume elements (RVE). Modified Voronoi clusters are employed to represent alumina and zirconia phases. Pores are added at the grain corners and edges respectively.
After adjusting all the relevant morphological parameters of the model to the real ceramics’ microstructure, the RVE has to be meshed for finite element simulations (FES). Hexahedral elements which simply use the voxel structure did not lead to sufficient accuracy of the FES. As a first step, an adapted surface tessellation is generated, using a generally classed marching tetrahedra method. Special care is taken to preserve the topology as well as the individual volumes and interfaces of the model. In terms of processing time and accuracy of the FES it is very important to simplify the initially generated surface mesh in a manner that preserves detailed resolution at corners and along edges, while decimating the number of surface elements in flat regions, i.e. at the grain boundaries. From the surface mesh an adequate tetrahedral volume tessellation, including solid elements representing the grain boundaries, is created, which is used for the FES. Therefore, a FE-model for the simulation of impedance spectra has been established and validated.
To simulate the macroscopic electrical behaviour of polycrystalline ceramics, the electrical properties of the individual constituting phases need to be measured. This is done by impedance spectroscopy up to 1000 °C. Further analysis of the experimental data with special respect to the effect of the grain boundaries is carried out to obtain the individual phases’ properties.
The sample composition was varied from pure zirconia to pure alumina. A very good agreement between experimental and simulated data was achieved in terms of electrical, thermal and mechanical properties. The FES were employed to scrutinize the effects of systematically varying microstructural properties, such as porosity, grain size and composition, on the macroscopic material behaviour.
KW  - Keramischer Werkstoff
KW  - Mikrostruktur–Eigenschafts–Korrelationen
KW  - Mikrostrukturmodellierung
KW  - Impedanzspektroskopie
KW  - Finite Element Simulationen
KW  - Microstructure–Property–Relationship
KW  - Microstructure Modelling
KW  - Impedance Spectroscopy
KW  - Finite Element Simulations
KW  - Mikrostruktur
KW  - Computersimulation
KW  - Finite-Elemente-Methode
KW  - Simulation
KW  - Dreidimensionales Modell
KW  - Gefügekunde
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-110942
ER  - 
TY  - THES
A1  - Menekşe, Kaan
T1  - Fabrication of Organic Solar Cells, Screening of Non-Fullerene Acceptors and the Investigation of their Intermolecular Interactions
T1  - Herstellung von organischen Solarzellen, Screening von Nicht-Fulleren-Akzeptoren und die Untersuchung ihrer intermolekularen Wechselwirkungen
N2  - In this thesis, intermolecular acceptor-acceptor interactions in organic solar cells based on new non-fullerene acceptors are addressed. For this purpose, first the reproducibility of organic electronic devices was tested on a new facility for their fabrication. This was followed by the screening for new acceptor materials. Based on this, three molecular systems were investigated with regard to their acceptor-acceptor interactions and their influence on solar cell efficiency.
N2  - In der vorliegenden Doktorarbeit werden zwischenmolekulare Akzeptor-Akzeptor Wechselwirkungen in organischen Solarzellen auf Basis von neuen nichtfulleren Akzeptoren behandelt. Dazu wurde zuerst die Reproduzierbarkeit von organischen Bauteilelementen an einer neuen Anlage zur Fertigung ebendieser getestet. Anschließend erfolgte die Suche nach neuen Akzeptormaterialien. Darauf aufbauend wurden drei Molekülsysteme hinsichtlich ihrer Akzeptor-Akzeptor Wechselwirkungen und deren Einfluss auf die Solarzelleneffizienz untersucht.
KW  - Organische Solarzelle
KW  - Nicht-Fulleren Akzeptor
KW  - Non-Fullerene Acceptor
KW  - Intermolekulare Wechselwirkungen
KW  - Intermolecular Interactions
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-291124
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lykowsky, Gunthard
T1  - Hardware- und Methodenentwicklung für die 23Na- und 19F-Magnetresonanztomographie
T1  - Hardware and method development for 23Na and 19F magnetic resonance imaging
N2  - Neben dem Wasserstoffkern 1H können auch andere Kerne für die Magnetresonanztomographie (MRT) genutzt werden. Diese sogenannten X-Kerne können komplementäre Informationen zur klassischen 1H-MRT liefern und so das Anwendungsspektrum der MRT erweitern. Die Herausforderung bei der X-Kern-Bildgebung liegt zum großen Teil in dem intrinsisch niedrigen Signal-zu-Rauschen-Verhältnis (SNR), aber auch in den spezifischen Kerneigenschaften. Um X-Kern-Bildgebung optimal betreiben zu können, müssen daher Sende-/Empfangsspulen, Messsequenzen und -methoden auf den jeweiligen Kern angepasst werden. Im Fokus dieser Dissertation standen die beiden Kerne Natrium (23Na) und Fluor (19F), für die optimierte Hardware und Methoden entwickelt wurden.
23Na spielte in dieser Arbeit vor allem wegen seiner Funktion als Biomarker für Arthrose, einer degenerativen Gelenkserkrankung, eine Rolle. Hierbei ist insbesondere die quantitative Natriumbildgebung von Bedeutung, da sich mit ihr der Knorpelzustand auch im Zeitverlauf charakterisieren lässt. Für die quantitative Messung mittels MRT ist die Kenntnis des B1-Feldes der eingesetzten MR-Spule entscheidend, denn dieses kann die relative Signalintensität stark beeinflussen und so zu Fehlern in der Quantifizierung führen. Daher wurde eine Methode zur Bestimmung des B1-Feldes untersucht und entwickelt. Dies stellte aufgrund des niedrigen SNR und der kurzen sowie biexponentiellen T2-Relaxationszeit von 23Na eine Herausforderung dar. Mit einer retrospektiven Korrekturmethode konnte eine genaue und zugleich schnelle Korrekturmethode gefunden werden.
Für die 1H- und 23Na-Bildgebung am menschlichen Knieknorpel wurden zwei praxistaugliche, doppelresonante Quadratur-Birdcage-Resonatoren entwickelt, gebaut und charakterisiert. Der Vergleich der beiden Spulen bezüglich Sensitivität und Feldhomogenität zeigte, dass der Vier-Ring-Birdcage dem Alternating-Rungs-Birdcage für den vorliegenden Anwendungsfall überlegen ist. Die in vivo erzielte Auflösung und das SNR der 23Na-Bilder waren bei beiden Spulen für die Quantifizierung der Natriumkonzentration im Knieknorpel ausreichend. Hochauflösende anatomische 1H-Bilder konnten ohne Mittelungen aufgenommen werden.
In einer umfangreichen Multiparameter-MR-Tierstudie an Ziegen wurde der Verlauf einer chirurgisch induzierten Arthrose mittels 23Na- und 1H-Bildgebungsmethoden untersucht. Hierbei kamen dGEMRIC, T1ρ-Messung und quantitative Natrium-MRT zum Einsatz. Trotz des im Vergleich zum Menschen dünneren Ziegenknorpels, der niedrigen Feldstärke von 1,5 T und den auftretenden Ödemen konnten erstmals diese MR-Parameter über den Studienverlauf hinweg an den gleichen Versuchstieren und zu den gleichen Zeitpunkten ermittelt werden. Die Ergebnisse wurden verglichen und die ermittelten Korrelationen entsprechen den zugrundeliegenden biochemischen Mechanismen. Die im Rahmen dieser Studie entwickelten Methoden, Bildgebungsprotokolle und Auswertungen lassen sich auf zukünftige Humanstudien übertragen.
Die mit klinischen Bildgebungssequenzen nicht zugängliche kurze Komponente der biexponentiellen T2*-Relaxationszeit von 23Na konnte mittels einer radialen Ultra-Short-Echo-Time-Sequenz bestimmt werden. Hierzu wurde eine Multi-Echo-Sequenz mit einem quasizufälligen Abtastschema kombiniert. Hierdurch gelang es, die kurze und lange T2*-Komponente des patellaren Knorpels in vivo zu bestimmen.
19F wird in der MRT wegen seiner hohen relativen Sensitivität und seines minimalen, körpereigenen Hintergrundsignals als Marker eingesetzt. Zur Detektion der niedrigen in-vivo-Konzentrationen der Markersubstanzen werden hochsensitive Messspulen benötigt.
Für die 19F-Bildgebung an Mäusen wurde eine Birdcage-Volumenspule entwickelt, die sowohl für 19F als auch 1H in Quadratur betrieben werden kann, ohne Kompromisse in Sensitivität oder Feldhomogenität gegenüber einer monoresonanten Spule eingehen zu müssen. Dies gelang durch eine verschiebbare Hochfrequenzabschirmung, mit der die Resonanzfrequenz des Birdcage verändert werden kann. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Feldverteilungen bei 1H und 19F im Rahmen der Messgenauigkeit identisch sind und so der 1H-Kanal für die Pulskalibrierung und die Erstellung von B1-Karten für die 19F-Bildgebung genutzt werden kann. Hierdurch kann die Messzeit deutlich reduziert werden.
Ein grundsätzliches Problemfeld stellt die Korrelation unterschiedlicher Bildgebungsmodalitäten dar. In der MRT betrifft das häufig die Korrelation von in-/ex-vivo-MR-Daten und den dazugehörigen Lichtbildaufnahmen an histologischen Schnitten. In dieser Arbeit wurde erstmals erfolgreich eine 1H- und 19F-MR-Messung an einem histologischen Schnitt vorgenommen. Durch die Verwendung einer optimierten 1H/19F-Oberflächenspule konnte die 19F-Signalverteilung in einer dünnen Tumorscheibe in akzeptabler Messzeit aufgenommen werden. Da der gleiche Schnitt sowohl mit Fluoreszenzmikroskopie als auch mit MRT gemessen wurde, konnten Histologie und MR-Ergebnisse exakt korreliert werden.
Zusammenfassend konnten in dieser Arbeit durch Hardware- und Methodenentwicklung zahlreiche neue Aspekte der 19F- und 23Na-MRT beleuchtet werden und so zukünftige Anwendungsfelder erschlossen werden.
N2  - In addition to the hydrogen nucleus 1H, other nuclei can also be used for magnetic resonance imaging (MRI). These so-called X-nuclei can provide complementary information on classical 1H MRI and thus expand the range of applications of MRI. The challenge in X-nucleus imaging is largely due to the intrinsically low signal-to-noise ratio (SNR), but also to the specific properties of the nucleus. In order to optimally perform X-nuclei imaging, transmit/receive coils, imaging sequences and methods must be adapted to the respective nucleus. The two nuclei sodium (23Na) and fluorine (19F) were in the focus of this dissertation and thus optimized hardware and methods were developed for these nuclei.
23Na played a major role in this work, mainly because of its function as a biomarker of osteoarthritis, a degenerative joint disease. In particular, the quantitative sodium imaging is of importance, as it can characterize the cartilage state over time. For quantitative measurements by MRI, the knowledge of the B1 field of the MR coil used is crucial, because this can strongly influence the signal intensity and thus lead to errors in the quantification. Therefore, a method for the determination of the B1 field was developed. This presented a challenge due to the low SNR and the short and biexponential T2 relaxation time of 23Na. Using a retrospective correction method, a precise and at the same time rapid correction method could be found.
Two practicable double resonant quadrature birdcage resonators have been developed, constructed and characterized for 1H/23Na imaging on human knee cartilage. The comparison of the two coils in terms of sensitivity and field homogeneity showed that the four-ring birdcage is superior to the alternating-rungs birdcage for the present application. The in vivo resolution and SNR of the 23Na images were sufficient for both coils to quantify the sodium concentration in the knee cartilage. High-resolution 1H anatomical images could be acquired without averaging.
In a large multiparameter MRI animal study on goats, the progression of surgically induced osteoarthritis was studied using 23Na and 1H imaging techniques. DGEMRIC, T1ρ and quantitative sodium MRI were used. Despite thinner goat cartilage compared to humans, low field strength of 1.5 T and the occurring edema, it was possible for the first time to determine these MR parameters over the course of the study on the same experimental animals and at the same time points. The correlations of the MR parameters correspond to the underlying biochemical mechanisms. The methods, imaging protocols and evaluations developed in this study can be applied to future human studies.
The short component of the biexponential T2* relaxation time of 23Na, which is not accessible with clinical imaging sequences, could be determined by means of a radial ultra-short echo time sequence. For this purpose, a multi-echo sequence was combined with a quasi-random sampling scheme. This enabled the determination of the short and long T2* component of patellar cartilage in vivo.
19F is used as a marker in MRI because of its high relative sensitivity and minimal body’s own background signal. To detect the low in vivo concentrations of the marker substances, highly sensitive measuring coils are required. For 19F imaging of mice, a birdcage volume coil was developed that can be operated in quadrature for both 19F and 1H without compromising sensitivity or field homogeneity compared to monoresonant coils. This is due to a slidable RF shield, which is used to change the resonance frequency of the birdcage. It has also been shown that field distributions at 1H and 19F are identical allowing the 1H channel to be used for pulse calibration and B1 mapping for 19F imaging. This can significantly reduce the acquisition time.
A fundamental challenge is the correlation of different imaging modalities. In MRI, this often affects the correlation of in and ex vivo MR data and the associated images of histological sections. In this work, 1H and 19F MR measurements of a histological section were successfully performed for the first time. By using an optimized 1H/19F surface coil, the 19F signal distribution in a thin tumor slice was acquired within an acceptable acquisition time. Since the same section was measured by fluorescence microscopy as well as by MRI, histology and MR results could be correlated exactly.
In summary, hardware and method development in this work has highlighted numerous new aspects of 19F and 23Na MRI, opening up future fields of application.
KW  - Kernspintomografie
KW  - Fluor-19
KW  - Natrium-23
KW  - 19F-MRT
KW  - 23Na-MRT
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-188710
ER  - 
TY  - THES
A1  - Liess, Andreas
T1  - Structure-Property Relationships of Merocyanine Dyes in the Solid State: Charge Transport and Exciton Coupling
T1  - Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Merocyaninfarbstoffen im Festkörper: Ladungstransport und Exzitonenkopplung
N2  - The present thesis demonstrates the importance of the solid state packing of dipolar merocyanine dyes with regard to charge transport and exciton coupling. 

Due to the charge transport theory for disordered materials, it is expected that high ground state dipole moments in amorphous thin films lead to low mobility values due to a broadening of the density of states. However, due to their inherent dipolarity, merocyanine dyes usually align in antiparallel dimers in an ordered fashion. The examination of twenty different molecules with ground state dipole moments up to 15.0 D shows that by a high dipolarity and well-defined sterics, the molecules pack in a highly regular two-dimensional brickwork-type structure, which is beneficial for hole transport. Utilization of these molecules for organic thin-film transistors (OTFTs) leads to hole mobility values up to 0.21 cm²/Vs. By fabrication of single crystal field-effect transistors (SCFETs) for the derivative showing the highest mobility values in OTFTs, even hole mobilities up to 2.34 cm²/Vs are achieved. Hence, merocyanine based transistors show hole mobility values comparable to those of conventional p-type organic semiconductors and therefore high ground state dipole moments are not necessarily disadvantageous regarding high mobility applications. 

By examination of a different series of ten merocyanine dyes with the same chromophore backbone but different donor substituents, it is demonstrated that the size of the donor has a significant influence on the optical properties of thin films. For small and rigid donor substituents, a hypsochromic shift of the absorption compared to the monomer absorption in solution is observed due to the card stack like packing of the molecules in the solid state. By utilization of sterical demanding or flexible donor substituents, a zig-zag type packing is observed, leading to a bathochromical shift of the absorption. These packing motifs and spectral shifts with an offset of 0.93 eV of the H- and J-bands comply with the archetype examples of H- and J-aggregates from Kasha’s exciton theory.
N2  - Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit wird die Wichtigkeit der Packung von dipolaren Merocyaninfarbstoffen im Festkörper im Hinblick auf Ladungstransport sowie Exzitonenkopplung demonstriert. 

Aufgrund der Ladungstransporttheorie für ungeordnete Materialien wird erwartet, dass hohe Grundzustandsdipolmomente die Mobilität aufgrund einer Verbreiterung der Zustandsdichte verringern. Allerdings neigen Merocyanine durch ihre Dipolarität normalerweise zur Ausbildung von geordneten antiparallelen Dimeren. Durch Untersuchung von zwanzig verschiedenen Molekülen mit Grundzustandsdipolmomenten bis zu 15.0 D wird gezeigt, dass durch eine hohe Dipolarität sowie eine gut definierte Sterik der Moleküle eine hoch geordnete zweidimensionale Backstein-artige Packung erzielt wird, welche günstig für den Lochtransport ist. Hierdurch werden in organischen Dünnschichttransistoren (OTFTs) Lochmobilitäten bis zu 0.21 cm²/Vs erzielt. Durch Fertigung von Einkristallfeldeffekttransistoren (SCFETs) für das Derivat mit den höchsten Lochmobilitäten in OTFTs werden außerdem Lochmobilitäten bis zu 2.34 cm²/Vs demonstriert. Damit zeigen Merocyanin-basierte Transistoren ähnliche Lochmobilitätswerte wie konventionelle organische p-Halbleiter. Folglich sind hohe Grundzustandsdipolmomente für Anwendungen, welche hohe Mobilitäten erfordern, nicht zwangsläufig von Nachteil.

Durch Untersuchung einer weiteren Serie von zehn Merocyaninfarbstoffen mit gleichem Chromophorgrundgerüst und verschiedenen Donorsubstituenten wird außerdem gezeigt, dass die Größe des Donors einen signifikanten Einfluss auf die optischen Eigenschaften von Dünnschichten hat. Für kleine und rigide Donorsubstituenten wird eine hypsochrome Verschiebung der Absorption im Vergleich zum Monomer in Lösung beobachtet, welche durch eine Kartenstapel-artige Packung der Farbstoffe im Festkörper bedingt wird. Bei der Verwendung von sterisch anspruchsvollen oder flexiblen Donorsubstituenten wird eine Zick-Zack-artige Packung beobachtet, welche eine bathochrome Verschiebung der Absorption bewirkt. Diese Packungsmotive und spektralen Verschiebungen mit einem Versatz von 0.93 eV der H- und J-Banden stehen im Einklang zu den typischen Beispielen von H- und J-Aggregaten aus Kashas Exzitonentheorie.
KW  - Exziton
KW  - Organischer Feldeffekttransistor
KW  - Organische Halbleiter
KW  - Merocyanine
KW  - Merocyanine dyes
KW  - Organic field-effect transistor
KW  - Organic semiconductors
KW  - Exciton coupling
KW  - Exzitonenkopplung
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-152900
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kremling, Stefan
T1  - Charakterisierung von InP und InGaN Quantenpunkten als Einzelphotonenquellen sowie von AlGaInAs Quantenpunkten in Zwischenband-Solarzellen
T1  - Characterization of InP and InGaN Quantum Dots for Single Photon Sources and AlGaInAs Quantum Dots in Intermediate Band Solar Cells
N2  - Die vorliegende Arbeit beschreibt die Charakterisierung von Halbleiter-Quantenpunkten (QP) in unterschiedlichen Materialsystemen. Die hier dargelegten Untersuchungen wurden mit verschiedenen Methoden der optischen Spektroskopie durchgeführt. Zu Beginn der Arbeit werden theoretische Grundlagen von QP hinsichtlich ihrer elektronischen Struktur und statistischen Eigenschaften erläutert. Darüber hinaus wird näher auf die Physik von Solarzellen eingegangen, in dem die relevanten Gleichungen für die Beschreibung des Ladungsträgertransportes hergeleitet und diskutiert werden.
Darauf folgend werden die experimentelle Methoden erklärt, welche zur Charakterisierung der jeweiligen Proben dienten. Besonderes Augenmerk wird auf die Methode zur Messung des Zwei-Photonen-Absorptionsprozesses gelegt.
Der Abschnitt der experimentell gewonnenen Ergebnisse beginnt mit Untersuchungen an einzelnen, spektral isolierten InP QP, welche mit ultralangsamen Wachstumsraten hergestellt wurden. Aufgrund der sehr geringen Flächendichte konnten grundlegende physikalische Eigenschaften von QP ohne zusätzliche laterale Strukturierungen studiert werden. Mittels Messungen in Abhängigkeit der Anregungsleistung und Detektion in Abhängigkeit der Polarisation konnten die verschiedenen Lumineszenzlinien eines QP-Spektrums den jeweiligen exzitonischen Zuständen zugeordnet werden. Zusätzlich wurden die QP in einem externen Magnetfeld in Faraday-Konfiguration untersucht. Abschließend durchgeführte Autokorrelationsmessungen erlaubten die Untersuchung der zeitlichen Statistik der QP-Photonen. Es konnte die Emission einzelner Photonen nachgewiesen werden.
Anschließend folgen spektroskopische Untersuchungen von InP QP, welche mittels sequentiellen Wachstums hergestellt wurden. Anhand von Messungen in Abhängigkeit der Anregungsleistung und bestätigt durch zeitaufgelöste Messungen am QP-Ensemble wurde eine bimodale QP-Verteilung mit Typ-I und Typ-II Bandverlauf bestimmt. Zusätzlich konnten an einzelnen, spektral isolierten QP verschiedene Exziton-Zustände identifiziert werden, bevor abschließend Autokorrelationsmessungen die Emission einzelner Photonen demonstrierten. 
Zur Steigerung der Auskoppeleffizienz der Photonen wurden InP QP in Mikrosäulenresonatoren, bestehend aus zwei Bragg-Spiegeln mit einer dazwischenliegenden GaInP Kavität, eingebettet. Anfangs wurde die Emission der Kavitätsmode von Strukturen mit unterschiedlichen lateralen Durchmessern charakterisiert. Mittels Temperaturverstimmung konnte die Energie eines einzelnen QP-Exzitons in Resonanz mit der Resonatormode gebracht werden. Im Regime der schwachen Wechselwirkung wurde eine signifikante Überhöhung der Lumineszenzintensität aufgrund des Purcell-Effektes gemessen. Zusätzlich wurde im Regime der schwachen Kopplung die Emission einzelner Photonen anhand von Korrelationsmessungen nachgewiesen. Im zweiten Schritt wurden die QP-Mikrosäulenresonatorstrukturen elektrisch angeregt. Nach einer grundlegenden Charakterisierung konnte auch hier mittels Temperaturverstimmung die Energie der Resonatormode mit der eines Exziton in Resonanz gebracht werden. Im Regime der schwachen Wechselwirkung stieg die Intensität der Lumineszenz aufgrund des Purcell-Effekts signifikant an. Zum Abschluss bestätigen Korrelationsmessungen den Nachweis der Emission einzelner Photonen. 
In Kapitel 6 werden die Eigenschaften von InGaN QP genauer analysiert. Nitrid-Verbindungshalbleiter kristallieren vorzugsweise stabil in der Wurtzit-Kristallstruktur. Polare Kristallebenen mit fehlender Spiegelsymmetrie führen zu starken piezoelektrischen Feldern. Dies hat eine Lumineszenz mit ausgeprägter linearer Polarisation zur Folge hat. Diese Eigenschaft wurde mittels statistischen Untersuchungen näher betrachtet. Zusätzlich erlaubten Messungen in Abhängigkeit der Anregungsleistung die verschiedenen Exziton-Zustände eines QP zu identifizieren. Zudem wurde die Emission einzelner Photonen durch InGaN QP demonstriert, erstmals sogar bis zu einer Temperatur von 50 K.
Im abschliessenden Kapitel wird eine mögliche Anwendung von QP präsentiert, bei der Eigenschaften in Bauteilen gezielt ausgenutzt werden, um die Bandbreite der Photonenabsorption zu erhöhen. Das Konzept der Zwischenband-Solarzellen verspricht auch Photonen mit einer Energie kleiner der Bandlücke des umgebenden Materials aufnehmen zu können und somit den spektralen Absorptionsbereich zu erweitern. Für eine systematische Untersuchung wurden verschiedene Proben mit integrierten AlGaInAs QP hergestellt. Anhand der Strom-Spannungs-Kennlinien der jeweiligen Proben im Dunkeln und unter Beleuchtung konnten wichtige Solarzellenparameter bestimmt werden. Spektrale Messungen liefern Informationen über die externe Quanteneffizienz der Proben. Entscheidend für den experimentellen Nachweis des Funktionsprinzips der Zwischenband-Solarzellen ist die Messung der Zwei-Photonen-Absorption für zwei Photonen mit jeweils kleineren Energien als der Bandlücke des umgebenden Materials.
N2  - This thesis describes the characterization of semiconductor quantum dots (QDs) in different material systems with potential applications as single photon emitters or intermediate band solar cells. All investigations were carried out by means of optical spectroscopy methods.
First, the theoretical background regarding the physics of QDs with respect to their electronic structure and their associated statistical properties are presented. Especially peculiarities of photon statistics of light are explained. Moreover, a closer look at the physics of solar cells and the respective carrier transport is given.
Then experimental methods, which were used to characterize the QD-samples, are briefly explained. First, the components and techniques of optical spectroscopy for the study of individual, isolated QDs are described. Second, different experimental technologies for the characterization of solar cells are discussed. The method for measuring the two-photon-absorption process is explained in detail.
The section of experimental results begins with studies of individual and spectrally isolated InP QD. Due to the low surface density of one QD per μm2, it is possible to study the physical properties of individual QDs optically without additional lateral sample structuring. Based on power and polarization dependent measurements, various luminescence peaks of a single QD were associated with different exciton states. In addition, the QDs were tested subject to an external magnetic field in a Faraday configuration. Finally, the temporal photon statistics of a single QD was tested using autocorrelation measurement.
Afterwards, InP QDs manufactured by cyclic material deposition with growth interruptions were investigated by means of PL spectroscopy. Based on excitation power and time-resolved measurements on the QD ensemble, a bimodal QD distribution of type-I and type-II band alignment was observed. In addition, different exciton states were identified on spectrally isolated single QDs. Finally, the emission of single photons has been demonstrated using autocorrelation measurements. 
For a more efficient diffraction-limited output coupling of photons, the InP QDs grown by cyclic material deposition were embedded in micropillar resonator structures and investigated by means of spectroscopy. First, structures with different diameters were characterized by photoluminescence spectroscopy. Second, the energy of a single QD exciton and the energy of the cavity were tuned into resonance by changing the temperature. In the regime of weak coupling a luminescence enhancement due to the Purcell Effect was observed. Finally, also in the regime of weak coupling, the emission of single photons has been demonstrated by autocorrelation measurements.
In terms of applications, electrical operations are desirable. Therefore, the Bragg mirrors of the micropillar resonator were doped for an efficient current injection and electrical contacts were deposited. After basic electrical characterization, the regime of weak coupling of a single QD exciton and the cavity resulting in a luminescence enhancement were demonstrated by the Purcell effect. Finally, the emission of single photons based on autocorrelation measurements is shown.
In this chapter, the luminescence properties of single InGaN QD were investigated. Based on the wurtzite crystal structure of nitrite-compound semiconductors strong piezoelectric fields occur that lead to strongly linearly polarized luminescence. Several QDs were investigated and statistical studies were performed. Excitation power depending measurements allows one to identify the different exciton states of a single QD. In addition, the emission of single photons of InGaN QDs up to a temperature of 50 K was demonstrated for the first time.
In the final chapter, an application of QDs in solar cells is presented to specifically exploit the unique properties of QDs in optical devices. The concept of the intermediate band solar cell utilizes the energy position of the QD ground state to absorb photons with energy smaller than the host materials bandgap. This enables an enhancement of the spectral absorption range to longer wavelengths. For systematic studies various samples with AlGaInAs QDs were fabricated. The current voltage characteristics of the samples were tested in the dark and under illumination and the respective solar cell parameters were evaluated. Additionally, based on spectral measurements, the external quantum efficiencies of the samples were determined. Furthermore, the measurement of two sub-bandgap-photon absorption demonstrates the operation principle of an intermediate band solar cell. Finally, band structure calculations are shown, which describe the results qualitatively and which also hint to future sample designs.
KW  - Quantenpunkt
KW  - Solarzelle
KW  - Zwischenbandsolarzelle
KW  - Intermediate Band Solar Cell
KW  - QD-IBSC
KW  - Interbandübergang
KW  - Einzelphotonenemission
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-101712
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kolb, Verena
T1  - Einfluss metallischer Nanostrukturen auf die optoelektronischen Eigenschaften organischer Halbleiter
T1  - Impact of metal nanostructures on the optoelectronic properties of organic semiconductors
N2  - Opto-elektronische Bauelemente auf Basis organischer Moleküle haben in den letzten Jahren nicht nur in Nischenbereichen, wie der Kombination organischer Photovoltaik mit gebäudeintegrierten Konzepten, sondern vor allem auch in der Entwicklung von kommerziell verfügbaren OLED (organische lichtemittierende Dioden) Bauteilen, wie 4K TV-Geräten und Handy Displays, an Bedeutung gewonnen. Im Vergleich zu anorganischen Bauteilen weisen jedoch vor allem organische Solarzellen noch weitaus geringere Effizienzen auf, weswegen die Erforschung ihrer Funktionsweise und der Einflüsse der einzelnen Bestandteile auf mikroskopischer Ebene für die Weiterentwicklung und Verbesserung des Leistungspotentials dieser Technologie unabdingbar ist. \\
Um dies zu erreichen, wurde in dieser Arbeit die Wechselwirkung zwischen der lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) metallischer Nanopartikel mit den optischen Anregungen organischer Dünnschichten in dafür eigens präparierten opto-elektronischen Hybrid-Bauteilen aus kleinen Molekülen untersucht. Durch die Implementierung und Kopplung an solche plasmonischen Nanostrukturen kann die Absorption bzw. Emission durch das lokal um die Strukturen erhöhte elektrische Feld gezielt beeinflusst werden. Hierbei ist der spektrale Überlapp zwischen LSPR und den Absorptions- bzw. E\-missions\-spek\-tren der organischen Emitter entscheidend. In dieser Arbeit wurden durch Ausnutzen dieses Mechanismus sowohl die Absorption in organischen photovoltaischen Zellen erhöht, als auch eine verstärkte Emission in nanostrukturierten OLEDs erzeugt. \\
Besonderer Fokus wurde bei diesen Untersuchungen auf mikroskopische Effekte durch neu entstehende Grenzflächen und die sich verändernden Morphologien der aktiven organischen Schichten gelegt, da deren Einflüsse bei optischen Untersuchungen oftmals nur unzureichend berücksichtigt werden. In der Arbeit wurden daher die nicht zu vernachlässigenden Folgen der Einbringung von metallischen Nanostrukturen auf die Morphologie und Grenzflächen zusammen mit den spektralen Veränderungen der Absorptions- und Emissionscharakteristik organischer Moleküle analysiert und in Zusammenhang gebracht, wodurch eine Verbesserung der Effizienzen opto-elektronischer Bauteile erreicht werden soll.
N2  - In recent years, opto-electronic devices based on organic molecules have drawn increasing attention, not only in niche markets like building-integrated photovoltaics, but also in the development of organic light emitting diodes (OLEDs) for 4K TV and smartphone displays. Compared to devices based on inorganic semiconductors, especially, organic solar cells lack in efficiency. Therefore, the investigation and understanding of microscopic effects influencing the overall performance are crucial for further efficiency improvements of these technologies.\\
These circumstancs have motivated the topic of this thesis namely the investigation of the electromagnetic interaction between metallic nanostructures and molecular semiconductors, the latter constituting the key unit in organic opto-electronics thin film devices. The unique properties of metal nanostructures and nanoparticles, in particular, their localized surface plasmon resonances (LSPR) and the accompanying enhancement of the local electrical field and the scattering of incoming light are able to enhance both, the absorption and the emission of organic molecules in close proximity. \\
In this thesis, both phenomena were used to enhance the absorption of small molecule organic solar cells, as well as the emission in nanostructured OLEDs. Especially, the effect of artificially generated interfaces and the induced change in morphology due to nanoparticles are investigated with respect to the optical properties of the organic emitters and absorbers. \\
KW  - Nanostruktur
KW  - Organischer Halbleiter
KW  - Oberflächenplasmonen
KW  - organische Halbleiter
KW  - localized surface plasmon
KW  - organic semiconductor
KW  - Silber
KW  - Optoelektronik
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-170279
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hüwe, Florian
T1  - Electrothermal Investigation on Charge and Heat Transport in the Low-Dimensional Organic Conductor (DCNQI)\(_2\)Cu
T1  - Elektrothermische Untersuchung des Ladungs- und Wärmetransports an dem niederdimensionalen organischen Leiter (DCNQI)\(_2\)Cu
N2  - This thesis aimed at the coherent investigation of the electrical and thermal transport properties of the low-dimensional organic conductor (DCNQI)2M (DCNQI: dicyanoquinonediimine; M: metallic counterion). These radical anion salts present a promising, new material class for thermoelectric applications and hence, a consistent characterization of the key parameters is required to evaluate and to optimize their performance. For this purpose, a novel experimental measurement setup enabling the determination of the electrical conductivity, the Seebeck coefficient and the thermal conductivity on a single crystalline specimen has been designed and implemented in this work. The novel measurement setup brought to operation within this thesis enabled a thorough investigation of the thermal transport properties in the (DCNQI)2M system. The thermal conductivity of (DCNQI-h8)2Cu at RT was determined to κ=1.73 W m^(-1)  K^(-1). By reducing of the copper content in isostructural, crystalline (DMe-DCNQI)2CuxLi1-x alloys, the electrical conductivity has been lowered by one order of magnitude and the correlated changes in the thermal conductivity allowed for a verification of the Wiedemann-Franz (WF) law at RT. A room temperature Lorenz number of L=(2.48±0.45)⋅〖10〗^(-8)  WΩK^(-2) was obtained in agreement with the standard Lorenz number L_0=2,44⋅〖10〗^(-8)  WΩK^(-2) for 3D bulk metals. This value appears to be significantly reduced upon cooling below RT, even far above the Debye temperature of θ_D≈82 K, below which a breakdown of the WF law is caused by different relaxation times in response to thermal and to electric field perturbations. The experimental data enabled the first consistent evaluation of the thermoelectric performance of (DCNQI)$_2$Cu. The RT power factor of 110 μWm^(-1) K^(-2) is comparable to values obtained on PEDOT-based thermoelectric polymers. The RT figure of merit amounts to zT=0.02 which falls short by a factor of ten compared to the best values of zT=0.42 claimed for conducting polymers. It originates from the larger thermal conductivity in the organic crystals of about 1.73 W m^(-1) K^(-1) in (DCNQI)2Cu. Yet, more elaborate studies on the anisotropy of the thermal conductivity in PEDOT polymers assume their figure of merit to be zT=0.15 at most, recently. Therefore, (DCNQI)2Cu can be regarded as thermoelectric material of similar performance to polymer-based ones. Moreover, it represents one of the best organic n-type thermoelectric materials to date and as such, may also become important in hybrid thermoelectrics in combination with conducting polymers. Upon cooling below room temperature, (DCNQI)2Cu reveals its full potential attaining power factors of 50 mW K^(-2) m^(-1) and exceeding values of zT>0.15 below 40 K. These values represent the best thermoelectric performance in this low-temperature regime for organic as well as inorganic compounds and thus, low-dimensional organic conductors might pave the way toward new applications in cryogenic thermoelectrics. Further improvements may be expected from optimizing the charge carrier concentration by taking control over the CT process via the counterion stack of the crystal lattice. The concept has also been demonstrated in this work. Moreover, the thermoelectric performance in the vicinity of the CDW transition in (MeBr-DCNQI)2Cu was found to be increased by a factor of 5. Accordingly, the diversity of electronic ground states accessible in organic conductors provides scope for further improvements. Finally, the prototype of an all-organic thermoelectric generator has been built in combination with the p-type organic metal TTT2I3. While it only converts about 0.02% of the provided heat into electrical energy, the specific power output per active area attains values of up to 5 mW cm^(-2). This power output, defining the cost-limiting factor in the recovery of waste heat, is three orders of magnitude larger than in conducting polymer devices and as such, unrivaled in organic thermoelectrics. While the thermoelectric key parameters of (DCNQI)2Cu still lack behind conventional thermoelectrics made of e.g. Bi2Te3, the promising performance together with its potential for improvements make this novel material class an interesting candidate for further exploration. Particularly, the low-cost and energy-efficient synthesis routes of organic materials highlight their relevance for technological applications.
N2  - Ziel der vorliegenden Arbeit war die umfassende Untersuchung der elektrischen und thermischen Transportgrößen von quasi-eindimensionalen, leitfähigen Radikalanionensalzen basierend auf dem Dicyanochinondiimin-Molekül (DCNQI). Diese kristallinen (DCNQI)2M (M: Metallion) Verbindungen stellen eine vielversprechende, neuartige Materialklasse für thermoelektrische Anwendungen dar, weshalb eine konsistente Charakterisierung der thermoelektrischen Kenngrößen von großem wissenschaftlichen Interesse ist. Dafür wurde in dieser Arbeit ein neuer experimenteller Aufbau entwickelt und in Betrieb genommen, der die Messung der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie des Seebeck-Koeffizienten an einer einzigen Kristallprobe ermöglicht. Der neu etablierte Messaufbau ermöglichte eine grundlegende Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit in der (DCNQI)2M Materialklasse, wobei für (DCNQI-h8)2Cu Cu ein Raumtemperaturwert von to κ=1.73 W m^(-1)  K^(-1) ermittelt werden konnte. Durch eine Variation des Kupferanteils in (DMe-DCNQI)2CuxLi1-x Mischkristallen konnte die elektrische Leitfähigkeit über eine Größenordnung variiert und die korrelierten Änderungen der Wärmeleitfähigkeit studiert werden. Dies erlaubte eine Bestätigung des Wiedemann-Franz (WF) Gesetzes bei RT mit einer Lorenzzahl von of L=(2.48±0.45)⋅〖10〗^(-8)  WΩK^(-2), welche im Rahmen des Fehlers der nach dem Sommerfeld-Modell erwarteten Lorenzzahl von  L_0=2,44⋅〖10〗^(-8)  WΩK^(-2) für dreidimensionale Metalle entspricht. Unterhalb von RT ist das Wiedemann-Franz Gesetz in seiner etablierten Form jedoch nicht mehr erfüllt und unterschiedliche Relaxationszeiten für thermische und elektrische Störungen der elektronischen Fermi-Verteilung treten bereits weit oberhalb der Debye Temperatur von θ_D≈82 K auf. Die in dieser Arbeit gewonnenen, experimentellen Daten erlauben zum ersten Mal eine konsistente Evaluierung der thermoelektrischen Kenngrößen von (DCNQI)2Cu Radikalanionensalzen. Ein thermoelektrischer Leistungsfaktor von 110 μWm^(-1) K^(-2) konnte bei RT nachgewiesen werden, welcher vergleichbar mit den zur Zeit besten organischen Thermoelektrika basierend auf dem lochleitenden Polymer PEDOT ist. Die thermoelektrische Gütezahl erreicht bei RT einen Wert von zT=0.02, welcher aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit von 1.73 W m^(-1) K^(-1) in (DCNQI)2Cu etwa eine Größenordnung schlechter ist als die höchste, publizierte Gütezahl für PEDOT:PSS. Literaturwerte für leitfähige Polymere sind jedoch häufig aufgrund der Anisotropie der Transportgrößen überschätzt, wenn die thermoelektrischen Kenngrößen nicht in einer einheitlichen Probenrichtung gemessen werden. Daher kann die thermoelektrische Leistungsfähigkeit von (DCNQI)2Cu zumindest als vergleichbar betrachtet werden. Hinzu kommt, dass (DCNQI)2Cu eines der besten organischen Thermoelektrika mit negativen Majoritätsladungsträgern ist und deshalb für thermoelektrische Hybridgeneratoren in Kombination mit lochleitenden Polymeren Bedeutung besitzt. Unterhalb von Raumtemperatur zeigen (DCNQI)2Cu Kristalle ihr großes thermoelektrisches Anwendungspotential mit Leistungsfaktoren von bis zu 50 mW K^(-2) m^(-1) und Gütezahlen größer als zT>0.15 unterhalb von 40 K. Nach aktuellem Kenntnisstand stellen diese Werte einen Rekord im Niedrigtemperaturbereich dar, sodass niederdimensionale organische Metalle hier neue thermoelektrische Anwendungsfelder bei kryogenen Temperaturen erschließen könnten. Eine weitere Optimierung der thermoelektrischen Kenngrößen sollte durch gezielte Einstellung der Ladungsträgerdichte erreicht werden können, beispielsweise durch die Kontrolle des Ladungstransfers von den Gegenionen auf das organische Molekül. Die Gültigkeit dieses Konzepts wurde in der vorliegenden Arbeit ebenfalls demonstriert. Zusätzlich konnte eine Verfünffachung der thermoelektrischen Gütezahl in der Nähe des Peierls-Phasenübergangs von (MeBr-DCNQI)2Cu gezeigt werden. Die diversen elektronischen Grundzustände in organischen Metallen stellen daher einen weiteren Ansatz zur Verbesserung der thermoelektrischen Leistungsfähigkeit dieser Materialklasse dar. Abschließend wurde ein Prototyp eines organischen, thermoelektrischen Generators aus einer Kombination von elektronenleitendem, einkristallinen (DCNQI)2Cu und dem niederdimensionalen, lochleitenden, organischen Metall TTT2I3 hergestellt. Obwohl der aktuelle, nicht-optimierte Generator nur 0.02% der eingespeisten Wärme in elektrische Energie umwandeln konnte, erreichte seine auf die aktive Fläche normierte Leistung bereits Werte von 5 mW cm^(-2). Diese übertreffen die Kenndaten vergleichbarer thermoelektrischer Generatoren basierend auf leitfähigen Polymeren um drei Größenordnungen, wobei zu beachten ist, dass dieser Parameter einen großen Teil der Kosten in der thermoelektrischen Abwärmenutzung bestimmt. Trotz der noch nicht erreichten Leistungsmerkmale von konventionellen thermoelektrischen Generatoren basierend auf Bi2Te3 verdeutlichen die Ergebnisse für (DCNQI)2Cu dennoch das hohe Potential organischer Metalle für die thermoelektrische Materialforschung, besonders unter Berücksichtigung der kostengünstigen und weniger energieintensiven Herstellung dieser Materialien in Hinblick auf technologische Anwendungen.
KW  - Radikalanionensalz
KW  - Thermoelektrischer Effekt
KW  - Niederdimensionales System
KW  - Low-dimensional molecular metals
KW  - quasi-one-dimensional organic metals
KW  - Wiedemann Franz law
KW  - thermoelectric generator
KW  - Waste Heat Recovery
KW  - Quasi-eindimensionale Organische Metalle
KW  - Wiedemann-Franz-Gesetz
KW  - Niederdimensionale Molekulare Metalle
KW  - Thermoelektrischer Generator
KW  - Abwärmenutzung
KW  - Wärmeleitung
KW  - Organik
KW  - Festkörperphysik
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-153492
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hetterich, Daniel Marcus
T1  - Localization within disordered systems of star-like topology
T1  - Lokalisierung in ungeordneten Systemen sternförmiger Topologie
N2  - This Thesis investigates the interplay of a central degree of freedom with an environment. Thereby, the environment is prepared in a localized phase of matter. 
The long-term aim of this setup is to store quantum information on the central degree of freedom while exploiting the advantages of localized systems. 
These many-body localized systems fail to equilibrate under the description of thermodynamics, mostly due to disorder. Doing so, they form the most prominent phase of matter that violates the eigenstate thermalization hypothesis. Thus, many-body localized systems preserve information about an initial state until infinite times without the necessity to isolate the system. 
 This unique feature clearly suggests to store quantum information within localized environments, whenever isolation is impracticable.  
After an introduction to the relevant concepts, this Thesis examines to which extent a localized phase of matter may exist at all if a central degree of freedom dismantles the notion of locality in the first place. To this end, a central spin is coupled to the disordered Heisenberg spin chain, which shows many-body localization. Furthermore, a noninteracting analog describing free fermions is discussed. Therein, an impurity is coupled to an Anderson localized environment.
It is found that in both cases, the presence of the central degree of freedom manifests in many properties of the localized environment. However, for a sufficiently weak coupling, quantum chaos, and thus, thermalization is absent. In fact, it is shown that the critical disorder, at which the metal-insulator transition of its environment occurs in the absence of the central degree of freedom, is modified by the coupling strength of the central degree of freedom. To demonstrate this, a phase diagram is derived.
Within the localized phase, logarithmic growth of entanglement entropy, a typical signature of many-body localized systems, is increased by the coupling to the central spin. This property is traced back to resonantly coupling spins within the localized Heisenberg chain and analytically derived in the absence of interactions. Thus, the studied model of free fermions is the first model without interactions that mimics the logarithmic spreading of entanglement entropy known from many-body localized systems. 
Eventually, it is demonstrated that observables regarding the central spin  significantly break the eigenstate thermalization hypothesis within the localized phase. Therefore, it is demonstrated how a central spin can be employed as a detector of many-body localization.
N2  - Im Fokus dieser Dissertation steht die gegenseitige Wechselwirkung eines zentralen Freiheitsgrades
und seiner Umgebung, die sich in einer lokalisierten Phase befindet. Das langfristige Ziel einer solchen Konfiguration ist die Speicherung von Quanteninformation auf einem solchen zentralen Freiheitsgrad, während gleichzeitig die Vorteile der lokalisierten Phase ausgenutzt werden.
Insbesondere nähern sich Systeme mit Vielteilchenlokalisierung keinem thermodynamischen
Gleichgewichtszustand und verletzen die Eigenzustandsthermalisierungshypothese. Als Konsequenz
bleibt Information über jeden beliebigen Anfangszustand während einer Zeitentwicklungauch bis zu unendlichen Zeiten erhalten, ohne dass das System räumlich isoliert werden muss.
Diese einzigartige Eigenschaft drängt lokalisierte Umgebungen als Speichermedium für Quanteninformation
geradezu auf. Nach einer Einführung zu den relevanten Begriffen und Theorien verfolgt diese Dissertation daher die Frage, ob eine lokalisierte Phase in der Gegenwart eines zentralen Freiheitsgrades überhaupt existieren kann, obgleich der zentrale Freiheitsgrad einen
wohldefinierten Begriff von Lokalitäat verbietet. Mit diesem Ziel vor Augen wird ein zentraler Spin an die ungeordnete Heisenberg-Spinkette, die Vielteilchenlokalisierung zeigt, gekoppelt.
Außerdem wird ein nichtwechselwirkendes Analogon, bestehend aus freien Fermionen, untersucht, wobei eine zentrale Störstelle an eine Anderson-lokalisierte Umgebung gekoppelt wird. In beiden Fällen zeigt sich, dass sich die Gegenwart des zentralen Freiheitsgrades in vielen Eigenschaften
der lokalisierten Umgebung widerspiegelt. Trotzdem ist Quantenchaos und demzufolge jegliche Thermalisierung für hinreichend kleine Kopplungsstärken an den zentralen Freiheitsgrad abwesend. Vielmehr hängt die kritische Unordnung, bei welcher der Übergang der Umgebung
zwischen einer metallischen und lokalisierten Phase stattfindet, von dieser Kopplungsstärke ab.
Hierzu wird ein Phasendiagramm abgeleitet. Innerhalb der lokalisierten Phase zeigt sich, dass das für vielteilchenlokalisierte typische logarithmische Wachstum der Verschrönkungsentropie durch den zentralen Spin verstärkt wird. Dieses Phänomen lässt sich aus der resonanten Kopplung von Spins der Umgebung durch den zentralen Spin erklären und wird im nichtwechselwirkenden
Modell analytisch demonstriert. Ferner wird gezeigt, dass quantenmechanische Observablen des zentralen Spins ebenfalls die Eigenzustandsthermalisierungshypothese in der
vielteilchenlokalisierten Phase brechen. Demzufolge kann der zentrale Spin als Indikator für
Vielteilchenlokalisierung zunutze gemacht werden.
KW  - Localization
KW  - Decoherence
KW  - Central Spin
KW  - Phase Transition
KW  - Disorder
KW  - Quanteninformatik
KW  - Anderson-Lokalisation
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-169318
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hansen, Nis Hauke
T1  - Mikroskopische Ladungstransportmechanismen und Exzitonen Annihilation in organischen Einkristallen und Dünnschichten
T1  - Microscopic charge transport mechanisms and exciton annihilation in organic thin films and single crystals
N2  - Um die Natur der Transportdynamik von Ladungsträgern auch auf mikroskopischen Längenskalen nicht-invasiv untersuchen zu können, wurde im ersten Schwerpunkt dieser Arbeit das PL- (Photolumineszenz-) Quenching (engl.: to quench: löschen; hier: strahlungslose Rekombination von Exzitonen) in einer organischen Dünnschicht durch die injizierten und akkumulierten Löcher in einer Transistorgeometrie analysiert. Diese Zusammenführung zweier Methoden - der elektrischen Charakterisierung von Dünnschichttransistoren und der Photolumineszenzspektroskopie - erfasst die Änderung des strahlenden Zerfalls von Exzitonen infolge der Wechselwirkung mit Ladungsträgern. Dadurch werden räumlich aufgelöste Informationen über die Ladungsverteilung und deren Spannungsabhängigkeit im Transistorkanal zugänglich. Durch den Vergleich mit den makroskopischen elektrischen Kenngrößen wie der Schwell- oder der Turn-On-Spannung kann die Funktionsweise der Transistoren damit detaillierter beschrieben werden, als es die Kenngrößen alleine ermöglichen. Außerdem wird die Quantifizierung dieser mikroskopischen Interaktionen möglich, welche beispielsweise als Verlustkanal in organischen Photovoltaikzellen und organicshen Leuchtdioden auftreten können. Die Abgrenzung zu anderen dissipativen Prozessen, wie beispielsweise der Exziton-Exziton Annihilation, Ladungsträgerrekombination, Triplett-Übergänge oder Rekombination an Störstellen oder metallischen Grenzflächen, erlaubt die detaillierte Analyse der Wechselwirkung von optisch angeregten Zuständen mit Elektronen und Löchern.
Im zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit werden die Transporteigenschaften des Naphthalindiimids Cl2-NDI betrachtet, bei dem der molekulare Überlapp sowie die Reorganisationsenergie in derselben Größenordnung von etwa 0,1 eV liegen. Um experimentell auf den mikroskopischen Transport zu schließen, werden nach der Optimierung des Kristallwachstums Einkristalltransistoren hergestellt, mit Hilfe derer die Beweglichkeit entlang verschiedener kristallographischer Richtungen als Funktion der Temperatur gemessen werden kann. Die einkristalline Natur der Proben und die spezielle Transistorgeometrie ermöglichen die Analyse der räumlichen Anisotropie des Stromflusses. Der gemessene Beweglichkeitstensor wird daraufhin mit simulierten Tensoren auf der Basis von Levich-Jortner Raten verglichen, um auf den zentralen Ladungstransfermechanismus zu schließen.
N2  - In order to study charge transport in organic thin-film transistors on a microscopic length scale noninvasively, photoluminescence quenching by injected holes in transistor geometry was analyzed. The combination of these two techniques – the electrical characterization of transistors and the photoluminescence spectroscopy – captures the variation of radiative recombination of excitons, which results from the interaction with the accumulated charge carriers. Thereby, spatially resolved information about the charge distribution and its voltage dependence in the transistor channel become accessible. By comparison with the macroscopic electrical parameters, such as the threshold voltage or the turn-on voltage, the mode of operation of the transistors can thus be described in more detail than the characteristic values alone permit. In addition, the quantification of these microscopic interactions becomes possible, which can occur, for example, as a loss channel in organic photovoltaic cells and organic light-emitting diodes. The delimitation to other dissipative processes, such as exciton-exciton annihilation, charge carrier recombination, triplet transitions or recombination at impurities or metallic interfaces, allows the detailed analysis of the interaction of optically excited states with electrons and holes.
The second focus of this work is on the transport properties of the naphthalene diimide Cl2-NDI in which the molecular overlap as well as the reorganization energy are of the same order of magnitude of approximately 0.1 eV. In order to close experimentally on the microscopic transport, after the optimization of crystal growth, single crystal transistors are produced by means of which the mobility along different crystallographic directions can be measured as a function of the temperature. The single crystal nature of the samples and the special transistor geometry allow the analysis of the spatial anisotropy of the current flow. The measured mobility tensor is then compared with simulated tensors based on Levich-Jortner rates to infer the central charge transfer mechanism.
KW  - Organischer Halbleiter
KW  - Ladungstransport
KW  - organic field-effect transistor
KW  - photoluminescence spectroscopy
KW  - electronic transport
KW  - single crystal
KW  - Organischer Feldeffekttransistor
KW  - Photolumineszenzspektroskopie
KW  - Elektronischer Transport
KW  - Einkristall
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-143972
ER  -