@phdthesis{Sauer2014,
  author    = {Sauer, Christoph},
  title     = {Accessing molecule-metal and hetero-molecular interfaces with direct and resonant photoelectron spectroscopy},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-107928},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {This thesis consists of two parts of original experimental work, its evaluation, and in- terpretation. Its final goal is to investigate dynamical charge transfer (CT) at a hetero- molecular interface with resonant photoelectron spectroscopy (RPES). In order to achieve this goal preliminary studies have been necessary. First two hetero-molecular inter- faces that exhibit adequate structural properties as well as an appropriate photoelec- tron spectroscopy (PES) spectrum of the valence regime have been identified. The de- sired CT analysis with RPES of these hetero-molecular systems is then conducted on the basis of the knowledge gained by previous RPES studies of homo-molecular sys- tems. The characterization of hetero-molecular films on single crystal Ag surfaces in the first part of this thesis is performed with high resolution core level PES and valence PES. The reproduction of the core level PES data with reference spectra of homo-molecular films allows me to determine which molecule is in direct contact to the Ag surface and which one is situated in higher layers (not the first one). Due to the direct correspon- dence of core level and valence PES the assignment of features in the spectra of the latter technique can be achieved with the identification of the contributions extracted from the evaluation of the data of the former technique. It is found that the systems PTCDA on one monolayer (ML) of SnPc on Ag(111) and CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111) are stable at 300 K which means that no significant layer exchange occurs for these systems. In contrast a vertical exchange of CuPc and PTCDA molecules is observed for PTCDA de- posited on top of 1 ML CuPc/Ag(111). Up to a coverage of approximately 0.5 ML of PTCDA molecules these diffuse into the first layer, replace CuPc molecules, and con- sequently force them into higher layers. Above a coverage of approximately 0.5 ML of PTCDA molecules these are also found in higher layers. The search for a promising system for the intended RPES study then leads to an investigation of hetero-molecular films with a combination of F4TCNQ and PTCDA molecules on Ag(110) within the same approach. Depositing F4TCNQ molecules onto a 1 ML PTCDA/Ag(110) film in the herringbone phase at 300 K results in an instable hetero-organic system which un- dergoes a layer exchange. Hereby PTCDA molecules in the first layer are replaced by F4TCNQ molecules similar to the behavior of the system PTCDA/1 ML CuPc/Ag(111). Switching the order of the preparation steps leads to a stable film of PTCDA/1.0 ML F4TCNQ/Ag(110) at 300 K. Among the stable hetero-molecular films only the system CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111) exhibits the required wetting growth of the first two layers at 300 K and a valence PES spectrum with energetically separable molecular orbital signals in the same intensity range. Thus this system is identified to be appropriate for a detailed analysis with RPES. The unexpected findings of vertical exchanges in the hetero-molecular films at 300 K motivate a study of the behavior at elevated temperatures for all systems investigated before. Therein it is revealed that annealing 1.5 ML SnPc/1 ML PTCDA/Ag(111) and 1.0 ML PTCDA/1 ML SnPc/Ag(111) to a temperature above the desorption temperature of molecules not in direct contact to the Ag(111) surface results in a 1 ML SnPc/Ag(111) film in both cases. Hence at elevated temperatures (approximately above 420 K) SnPc molecules replace PTCDA molecules in the first layer on Ag(111). At higher temper- atures (approximately above 470 K) PTCDA molecules and SnPc molecules situated above the first layer then desorb from the 1 ML SnPc/Ag(111) sample. Annealing all hetero-molecular films with CuPc and PTCDA molecules on Ag(111) to 570 K leads to a sample with CuPc and PTCDA molecules in the first and only layer. Depending on the initial CuPc coverage different ratios of both molecules are obtained. With a CuPc coverage of exactly 1 ML, or above, films with PTCDA coverages of approxi- mately 0.1-0.2 ML are produced. So at elevated temperatures CuPc molecules replace PTCDA molecules in the first layer of the system CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111). Anal- ogously the layer exchange at 300 K for the system PTCDA/1 ML CuPc/Ag(111) is reversed at elevated temperatures. In the case of SnPc and CuPc coverages below 1 ML annealing vertical hetero-molecular systems with PTCDA on Ag(111) up to 570 K re- sults in a single layer of mixed hetero-molecular films with lateral long range order. In this way the system CuPc + PTCDA/Ag(111) is prepared and then characterized as a proper system for a detailed analysis with RPES. Additional annealing experiments of hetero-organic films consisting of F4TCNQ and PTCDA molecules on Ag(110) with an F4TCNQ coverage of 1.0 ML (and above) end in a submonolayer (sub-ML) film of F4TCNQ/Ag(110) that exhibits a contribution of amorphous carbon. Consequently, it can be concluded that at elevated temperatures part of the F4TCNQ molecules decom- pose. In the second part of this thesis homo-molecular multilayer samples and (sub-)ML films on single crystalline metal surfaces are investigated with RPES in order to enable the final RPES study of vertical and lateral hetero-molecular interface systems. First a pho- ton energy (hν) dependent intensity variation of (groups of) molecular orbital signals of exemplary multilayer films (NTCDA and coronene) is studied and explained on the basis of the local character of the electronic transitions in near edge x-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy in combination with the real space probability den- sity of the contributing molecular orbitals. This simple approach is found to be able to correctly describe relative intensity variations by orders of magnitude while it fails for hν dependent relative intensity changes in the same order of magnitude. After that the hν dependent line-shape evolution of an energetically separated molecular orbital signal of a CuPc multilayer is discussed in relation to small molecules in the gas phase and explained with an effect of electron vibration coupling. Through a comparison of the hν dependent line-shape evolution of the highest occupied molecular orbital (HOMO) of a CuPc with a SnPc multilayer the molecule specific character of this effect is identified. Then the same effect with either two (or more) electronic transitions or multiple coupling vibrational modes is observed for a coronene multilayer. Thereafter the influence of the adsorption on metal surfaces on this effect is studied and discussed with special emphasis on a possible contribution by features which are related to dynamical interface CT. For a sub-ML of SnPc/Au(111) no variation with respect to a SnPc multilayer film is detected while for a sub-ML of CuPc/Au(111) less intensity is distributed into the high binding energy (EB) part of the HOMO signal with respect to the corresponding multilayer film. In the RPES data of a sub-ML of coronene/Ag(111) a resonance specific variation of the hν dependent line-shape evolution of the HOMO signal is found by the revelation of a change of this effect with respect to the coronene multilayer data in only one of the two NEXAFS resonances. All these findings are consistently explained within one effect and a common set of parameters, namely all quantities that characterize the potential energy surfaces involved in the RPES process. Through that an alternative explanation that re- lies on dynamical CT can be excluded which influences the following CT analysis with RPES. Three criteria for such an analysis of dynamical interface CT with RPES are identified. In the system coronene on Ag(111) a low EB feature is related to metal-molecule inter- face CT through the assignment of a particular final state and hence named CT state. In the EB region of the frontier molecular orbital signals of the molecule-metal inter- face systems with a signal from the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) in direct valence PES a broad line-shape is measured in RPES. This finding is related to interface CT by a possible explanation that emerges through the comparison to the line- shape of the CT state. The constant kinetic energy (EK ) features detected for several molecule-metal interfaces constitute the third criterion for a CT analysis with RPES. For the molecule-metal interface systems without a LUMO signal in direct valence PES the energy of these features can be calculated with the assignment of the responsible decay channel in combination with explicitly given simplifying assumptions. Through that the involvement of metal-molecule interface CT in the generation of these constant EK fea- tures is demonstrated. The RPES data of the lateral and the vertical hetero-molecular interface, identified in the first part, is then scanned for these three CT criteria. Thereby neither for the lateral hetero-molecular system CuPc + PTCDA/Ag(111) nor for the verti- cal hetero-molecular system CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111) dynamical hetero-molecular interface CT can be confirmed. In the former system the molecule-metal interface in- teraction is found to dominate the physics of the system in RPES while in the latter system no hints for a significant hybridization at the CuPc-PTCDA interface can be revealed},
  subject      = {Organisches Molek{\"u}l},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Graus2018,
  author    = {Graus, Martin},
  title     = {Anwendung und Weiterentwicklung der Orbitaltomographie},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-163194},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2018},
  abstract  = {Als Orbitaltomographie wird eine junge Methode innerhalb der Photoelektronenspektrokopie bezeichnet, welche es erm{\"o}glicht, Molek{\"u}lorbitale mit hoher Ortsaufl{\"o}sung abzubilden. Hierf{\"u}r werden die zu untersuchenden Molek{\"u}le durch elektromagnetische Strahlung angeregt und die mittels Photoeffekt emittierten Elektronen hinsichtlich ihres Impulses und ihrer kinetischen Energie charakterisiert. Moderne Photoemissionsexperimente erlauben die simultane Vermessung des gesamten Impulshalbraumes oberhalb der Probe. Die detektierte Intensit{\"a}tsverteilung stellt dann unter bestimmten Bedingungen das Betragsquadrat eines hemisph{\"a}rischen Schnittes durch den Fourierraum des spektroskopierten Orbitals dar, wobei der Radius der Hemisph{\"a}re von der Energie der anregenden Strahlung abh{\"a}ngt. Bei den in dieser Arbeit untersuchten Systemen handelt es sich um adsorbierte Molek{\"u}le, die hochgeordnete Schichten auf kristallinen Edelmetalloberfl{\"a}chen bilden. Im Fall eindom{\"a}nigen Wachstums liefern die parallel orientierten Molek{\"u}le identische Photoemissionssignale. Kommt es hingegen zur Ausbildung von Rotations- und Spiegeldom{\"a}nen, stellt die gemessene Impulsverteilung eine Superposition der unterschiedlichen Einzelbeitr{\"a}ge dar. Somit lassen sich R{\"u}ckschl{\"u}sse auf die Orientierungen der Molek{\"u}le auf den Substraten ziehen. Diese Charakterisierung molekularer Adsorptionsgeometrien wird anhand verschiedener Modellsysteme vorgestellt. Variiert man die Energie der anregenden Strahlung und somit den Radius der hemisph{\"a}rischen Schnitte durch den Impulsraum, ist es m{\"o}glich den Fourierraum des untersuchten Molek{\"u}lorbitals dreidimensional abzubilden. Kombiniert man die gemessenen Intensit{\"a}ten mit Informationen {\"u}ber die Phase der Wellenfunktion im Impulsraum, die durch zus{\"a}tzliche Experimente oder rechnerisch gewonnen werden k{\"o}nnen, l{\"a}sst sich durch eine Fouriertransformation ein dreidimensionales Bild des Orbitals generieren, wie Schritt f{\"u}r Schritt gezeigt wird. Im Zuge eines Photoemissionsprozesses kann das Molek{\"u}l in einen angeregten vibronischen Zustand {\"u}bergehen. Mittels Photoemissionsexperimenten mit hoher Energieaufl{\"o}sung lassen sich Unterschiede zwischen den Impulsverteilungen der schwingenden Molek{\"u}le und denen im vibronischen Grundzustand feststellen. Ein Vergleich der Messdaten mit Simulationen kann die Identifikation der angeregten Schwingungsmode erm{\"o}glichen, was eine neue Methode darstellt, Erkenntnisse {\"u}ber die Elektron-Phonon-Kopplung in molekularen Materialien zu gewinnen.},
  subject      = {ARPES},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Dietl2004,
  author    = {Dietl, Christian},
  title     = {Beobachtung und Steuerung molekularer Dynamik mit Femtosekunden-Laserpulsen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-12182},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {In dieser Arbeit wurden zwei Aspekte der Femtochemie mit den Methoden der Femtosekunden--Laserspektroskopie untersucht. Dabei wurden folgende Ziele verfolgt: Einerseits sollte die j{\"u}ngst entwickelte Technik der adaptiven Pulsformung auf das Problem bindungsselektiver Photodissoziationsreaktionen angewandt werden, zum Anderen bestand die Aufgabe darin, die nichtadiabatische, photoinduzierte Dynamik am Beispiel der Photoisomerisierung von Stilben mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie zeitaufgel{\"o}st zu untersuchen. Die Methode der adaptiven Pulsformung wurde mit dem Ziel eingesetzt, eine bindungsselektive Photodissoziation zu verwirklichen. Dazu wurde diese Technik in Verbindung mit einem massenspektroskopischen Nachweis der Photofragmente verwendet. Die Experimente wurden an einigen Spezies der Methylhalogenide CH2XY (X,Y = Halogen) durchgef{\"u}hrt. Diese Verbindungen wurden als Modellsysteme gew{\"a}hlt, da sich gezeigt hat, dass auf Grund stark gekoppelter konkurrierender Dissoziationskan{\"a}le durch modenselektive Laseranregung keine Kontrolle erreicht werden kann. Mit dem hier durchgef{\"u}hrten Experiment an CH2ClBr wurde erfolgreich erstmals die Anwendung der adaptiven Femtosekunden-Pulsformung auf das Problem einer bindungsselektiven Photodissoziation demonstriert. Dabei konnte eine Steigerung der Dissoziation der st{\"a}rkeren Kohlenstoff-Halogen Bindung um einen Faktor zwei erreicht werden. Weiterhin konnte experimentell gezeigt werden, dass das optimierte Produktverh{\"a}ltnis nicht durch eine einfache Variation der Laserpulsdauer oder Laserpulsenergie erzielt werden kann. Es wurde ein m{\"o}glicher Mechanismus f{\"u}r die Kontrolle diskutiert, der im Gegensatz zu einem unmodulierten Laserpuls die Wellenpaketdynamik auf neutralen dissoziativen Potentialfl{\"a}chen zur Steuerung des Produktverh{\"a}ltnisses involviert. Wie sich aus einer genaueren Analyse des Fragmentspektrums ergab, wird durch den optimalen Laserpuls die Dissoziation in komplexer Weise moduliert. Dies zeigte sich z.B. auch durch eine {\"A}nderung des Isotopenverh{\"a}ltnisses in der Ausbeute des dissoziierten Br-Liganden vor und nach der Optimierung. Dieser Frage nach einer isotopenselektiven Photodissoziation wurde in einem weiteren Experiment an CH2Br2 nachgegangen. Dabei konnte jedoch nur eine geringe Variation von etwa f{\"u}nf Prozent gegen{\"u}ber dem nat{\"u}rlichen Isotopenverh{\"a}ltnis festgestellt werden. Als gr{\"o}ßtes experimentelles Problem stellte sich dabei die starke Intensit{\"a}tsabh{\"a}ngigkeit der Produktausbeuten heraus, was die Suche nach der optimalen Pulsform stark einschr{\"a}nkte. Anhand des molekularen Photodetachments CH2I2-->CH2+I2 wurde gezeigt, dass durch die Analyse der optimalen Pulsformen Informationen {\"u}ber die Dynamik dieses Prozesses gewonnen werden k{\"o}nnen. Dazu wurde zun{\"a}chst in einem Pump-Probe-Experiment die Dynamik der I2-Fragmentation nach einer Mehrphotonen-Anregung von CH2I2 mit 266nm Laserpulsen untersucht. Dieses Experiment ergab, dass das Molek{\"u}l {\"u}ber einen angeregten Zwischenzustand auf einer sehr schnellen Zeitskala {\"u}ber Dissoziationskan{\"a}len zerfallen kann. Der dominante Kanal f{\"u}hrt zu einer sequentiellen Abgabe einer der I-Liganden und resultiert in den Photoprodukten CH2I und I Im anderen Kanal, dem molekularen Photodetachment, werden die Photoprodukte I2 und CH2 gebildet. In einem Kontrollexperiment wurde dann versucht, das molekulare Photodetachment gegen{\"u}ber dem dominanten sequentiellen Kanal mit geformten 800nm Laserpulsen zu optimieren. Es wurden Optimierungen mit dem Ziel der Maximierung der Ausbeute an den Photoprodukten I2 und CH2 gegen{\"u}ber CH2I durchgef{\"u}hrt. Diese Experimente ergaben, dass f{\"u}r beide Fragmente des molekularen Photodetachments eine Steigerung des Produktverh{\"a}ltnisses um etwa einen Faktor drei m{\"o}glich ist. Dabei zeigte sich, dass eine Maximierung auf ein Produktverh{\"a}ltnis (z.B. I2/CH2I) eine Steigerung des anderen um etwa den gleichen Faktor hervorruft. Dies ist ein deutlicher Hinweis, dass beide Photoprodukte {\"u}ber denselben Dissoziationskanal gebildet werden. Ein weiterer inweis wurde aus der Analyse der optimalen Pulsformen erhalten: In beiden F{\"a}llen weisen diese eine markante Doppelpulsstruktur mit einem zeitlichen Abstand von etwa 400fs auf. Dies erinnert stark an die Situation des Pump-Probe--Experiments, wo durch die Analyse des transienten Signals ebenfalls eine optimale Verz{\"o}gerungszeit zwischen dem Pump- und Probe-Laserpuls von etwa 400fs ermittelt werden konnte, bei der die Produktverh{\"a}ltnisse gerade maximal sind. Im Vergleich zur Massenspektroskopie liefert die Photoelektronenspektroskopie in der kinetischen Energie der Photoelektronen eine zus{\"a}tzliche Messgr{\"o}ße, die direkt Informationen {\"u}ber die Kerngeometrie des Systems liefern kann. Mit dieser Technik wurde die trans-cis-Photoisomerisierung von Stilben im ersten elektronisch angeregten Zustand S1(1Bu) zeitaufgel{\"o}st untersucht. Dabei ging es speziell um die Frage nach der Existenz eines weiteren 1Bu Zustandes, der in neueren theoretischen Untersuchungen diskutiert wurde. In einem Pump-Probe-Experiment wurde dazu das im Molekularstrahl pr{\"a}parierte trans-Stilben durch einen 266nm Laserpuls angeregt und die Dynamik durch einen weiteren 266nm Laserpuls abgefragt. Im Photoelektronenspektrum konnten zwei signifikante Beitr{\"a}ge mit unterschiedlicher Dynamik gefunden werden. Das transiente Signal des ersten Beitrags weist eine Zeitkonstante von etwa 20ps auf und konnte eindeutig der Isomerisierung des S1 Zustandes zugeordnet werden. Im Gegensatz dazu zeigte das Signal des zweiten Beitrags eine Zeitkonstante von 100fs. Dieses Signal k{\"o}nnte aus der Ionisation des S2 Zustandes resultieren, welcher bislang experimentell nicht beobachtet werden konnte.},
  subject      = {Ultrakurzer Lichtimpuls},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Krause2009,
  author    = {Krause, Stefan},
  title     = {Determination of the transport levels in thin films of organic semiconductors},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-40470},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {The approach of using the combination of Ultraviolet (UPS) and Inverse Photoemission (IPS) to determine the transport levels in thin films of organic semiconductors is the scope of this work. For this matter all influences on the peak position and width in Photoelectron Spectroscopy are discussed with a special focus on organic semiconductors. Many of these influences are shown with experimental results of the investigation of diindenoperylene on Ag(111). These findings are applied to inorganic semiconductors silicon in order to establish the use of UPS and IPS on a well-understood system. Finally, the method is used to determine the transport level of several organic semiconductors (PTCDA, Alq3, CuPc, DIP, PBI-H4) and the corresponding exciton binding energies are calculated by comparison to optical absorption data.},
  subject      = {Organischer Halbleiter},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Metzger2021,
  author    = {Metzger, Christian Thomas Peter},
  title     = {Development of photoemission spectroscopy techniques for the determination of the electronic and geometric structure of organic adsorbates},
  doi       = {10.25972/OPUS-22952},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-229525},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {The projects presented in this thesis cover the examination of the electronic and structural properties of organic thin films at noble metal-organic interfaces. Angle-resolved photoemission spectroscopy is used as the primary investigative tool due to the connection of the emitted photoelectrons to the electronic structure of the sample. The surveyed materials are of relevance for fundamental research and practical applications on their own, but also serve as archetypes for the photoemission techniques presented throughout the four main chapters of this thesis. The techniques are therefore outlined with their adaptation to other systems in mind and a special focus on the proper description of the final state. The most basic description of the final state that is still adequate for the evaluation of photoemission data is a plane wave. Its simplicity enables a relatively intuitive interpretation of photoemission data, since the initial and final state are related to one another by a Fourier transform and a geometric factor in this approximation. Moreover, the initial states of some systems can be reconstructed in three dimensions by combining photoemission measurements at various excitation energies. This reconstruction can even be carried out solely based on experimental data by using suitable iterative algorithms. Since the approximation of the final state in the photoemission process by a plane wave is not valid in all instances, knowledge on the limitations of its applicability is indispensable. This can be gained by a comparison to experimental data as well as calculations with a more detailed description of the photoemission final state. One possible appraoch is based on independently emitting atoms where the coherent superposition of partial, atomic final states produces the total final state. This approach can also be used for more intricate studies on organic thin films. To this end, experimental data can be related to theoretical calculations to gain extensive insights into the structural and electronic properties of molecules in organic thin films.},
  subject      = {ARPES},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Hauschild2015,
  author    = {Hauschild, Dirk},
  title     = {Electron and soft x-ray spectroscopy of indium sulfide buffer layers and the interfaces in Cu(In,Ga)(S,Se)2-based thin-film solar cells},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-126766},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {In this thesis, thin-film solar cells on the basis of Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSSe) were investigated. Until today, most high efficient CIGSSe-based solar cells use a toxic and wetchemical deposited CdS buffer layer, which doesn't allow a dry inline production. However, a promising and well-performing alternative buffer layer, namely indium sulfide, has been found which doesn't comprise these disadvantages. In order to shed light on these well-performing devices, the surfaces and in particular the interfaces which play a major role for the charge carrier transport are investigated in the framework of this thesis. Both, the chemical and electronic properties of the solar cells' interfaces were characterized. In case of the physical vapor deposition of an InxSy-based buffer layer, the cleaning step of the CdS chemical-bath deposition is not present and thus changes of the absorber surface have to be taken into account. Therefore, adsorbate formation, oxidation, and segregation of absorber elements in dependence of the storing temperature and the humidity are investigated in the first part of this thesis. The efficiencies of CIGSSe-based solar cells with an InxSy buffer layer depend on the nominal indium concentration x and display a maximum for x = 42 \%. In this thesis, InxSy samples with a nominal indium concentration of 40.2\% ≤ x ≤ 43.2\% were investigated by surface-sensitive and surface-near bulk-sensitive techniques, namely with photoemission spectroscopy (PES) and x-ray emission spectroscopy (XES). The surfaces of the films were found to be sulfur-poor and indium-rich in comparison with stoichiometric In2S3. Moreover, a direct determination of the band alignment at the InxSy/CISSe interface in dependence of the nominal indium concentration x was conducted with the help of PES and inverse PES (IPES) and a flat band alignment was found for x = 42 \%. In order to study the impact of a heat treatment as it occurs during subsequent cell process steps, the indium sulfide-buffered absorbers were annealed for 30 minutes under UHV conditions at 200 °C after the initial data set was taken. Besides a reported enhanced solar cell performance, a significant copper diffusion from the absorber into the buffer layer takes place due to the thermal treatment. Accordingly, the impact of the copper diffusion on the hidden InxSy/CISSe interface was discussed and for x = 40.2\% a significant cliff (downwards step in the conduction band) is observed. For increasing x, the alignment in the conduction band turns into a small upwards step (spike) for the region 41\% ≤ x ≤ 43.2\%. This explains the optimal solar cell performance for this indium contents. In a further step, the sodium-doped indium sulfide buffer which leads to significantly higher efficient solar cells was investigated. It was demonstrated by PES/IPES that the enhanced performance can be ascribed to a significant larger surface band gap in comparison with undoped InxSy. The occurring spike in the Na:InxSy/CISSe band alignment gets reduced due to a Se diffusion induced by the thermal treatment. Furthermore, after the thermal treatment the sodium doped indium sulfide layer experiences a copper diffusion which is reduced by more than a factor of two compared to pure InxSy. Next, the interface between the Na:InxSy buffer layer and the i-ZnO (i = intrinsic, non-deliberately doped), as a part of the transparent front contact was analyzed. The i-ZnO/Na:InxSy interface shows significant interdiffusion, leading to the formation of, e.g., ZnS and hence to a reduction of the nominal cliff in the conduction band alignment. In the last part of this thesis, the well-established surface-sensitive reflective electron energy loss spectroscopy (REELS) was utilized to study the CIGSSe absorber, the InxSy buffer, and annealed InxSy buffer surfaces. By fitting the characteristic inelastic scattering cross sections λK(E) with Drude-Lindhard oscillators the dielectric function was identified. The determined dielectric functions are in good agreement with values from bulk-sensitive optical measurements on indium sulfide layers. In contrast, for the chalcopyrite-based absorber significant differences appear. In particular, a substantial larger surface band gap of the CIGSSe surface of E^Ex_Gap = (1.4±0.2) eV in comparison with bulk values is determined. This provides for the first time an independent verification of earlier PES/IPES results. Finally, the electrons' inelastic mean free paths l for the three investigated surfaces are compared for different primary energies with theoretical values and the universal curve.},
  subject      = {Photoelektronenspektroskopie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Michalke2004,
  author    = {Michalke, Thordis},
  title     = {Elektronen-Korrelationen und Elektron-Phonon-Kopplung in einem nanostrukturierten Adsorbatsystem},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-11957},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {In meiner Arbeit werden die Auswirkungen von Vielteilcheneffekten in einem niedrigdimensionalen Adsorbatsystem untersucht. Ein solches System kann als einfaches Modellsystem zum Verst{\"a}ndnis der Vielteilcheneffekte dienen. Mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie und Rastertunnelspektroskopie kann die Lebensdauer der Quasiteilchen direkt gemessen werden. An quasi-nulldimensionalen Quantenpunkten l{\"a}sst sich außerdem der Einfluss der Dimensionalit{\"a}t und der Strukturgr{\"o}ße auf die Korrelationseffekte und Kopplungsst{\"a}rken der Elektronen messen. Das Adsorbatsystem Stickstoff auf Kupfer (Cu(100)c(2x2)N) ist hierf{\"u}r ideal geeignet. Bei der Adsorption von Stickstoff auf Cu(100) bilden sich auf Grund starker Verspannungen durch die inkommensurate c(2x2)-Bedeckung Stickstoff-Inseln mit einer typischen Gr{\"o}ße von 5x5 nm². Auf diesen quasi-nulldimensionalen Quantenpunkten l{\"a}sst sich lokal mit der Rastertunnelspektroskopie die elektronische Zustandsdichte messen. In den STS-Spektren und Bildern sind typische diskrete Eigenzust{\"a}nde eines Quantentrogs zu beobachten. Mit einem Modell ged{\"a}mpfter, quasifreier Elektronen ist es gelungen, diese Eigenzust{\"a}nde zu simulieren und wichtige physikalische Gr{\"o}ßen, wie die effektive Masse, die Bindungsenergie und die mittlere Lebensdauer der Elektronen in den Inseln zu bestimmen. Mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie k{\"o}nnen zahlreiche adsorbatinduzierte Zust{\"a}nde identifiziert und die zweidimensionale Bandstruktur des Adsorbatsystems gemessen werden. Die Elektron-Phonon-Kopplung spielt in dem Stickstoff-Adsorbatsystem eine wichtige Rolle: Temperaturabh{\"a}ngige Messungen der zweidimensionalen Zust{\"a}nde lassen auf eine sehr starke Kopplung schließen mit Werten bis zu 1,4 f{\"u}r die Kopplungskonstante. Dabei ist die Kopplungsst{\"a}rke wesentlich von der Lokalisierung der Adsorbatzust{\"a}nde abh{\"a}ngig. In der N{\"a}he der Fermikante zeigt ein Adsorbatzustand eine außergew{\"o}hnliche Linienform. Die Spektralfunktion kann selbst bei recht hohen Temperaturen von 150 K mit dem Realteil der Selbstenergie der Elektron-Phonon-Kopplung beschrieben werden. F{\"u}r die Phononenzustandsdichte wird dabei das Einstein-Modell verwendet auf Grund des dominierenden Anteils der adsorbatinduzierten optischen Phononen. Die Kopplungsst{\"a}rke und der Beitrag der Elektron-Elektron und Elektron-Defekt-Streuung werden aus diesen Daten extrahiert. Auf Grund der sehr starken Elektron-Phonon-Kopplung k{\"o}nnte man spekulieren, ob sich in der Oberfl{\"a}che Cooper-Paare bilden, deren Anziehung {\"u}ber ein optisches Adsorbatphonon vermittelt w{\"u}rde, und so eine exotische Oberfl{\"a}chen-Supraleitung verursachen.},
  subject      = {Adsorbat},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Weinhardt2005,
  author    = {Weinhardt, Lothar},
  title     = {Elektronische und chemische Eigenschaften von Grenzfl{\"a}chen und Oberfl{\"a}chen in optimierten Cu(In,Ga)(S,Se)2 D{\"u}nnschichtsolarzellen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-16234},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2005},
  abstract  = {In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen an D{\"u}nnschichtsolarzellen auf der Basis von Cu(In,Ga)(S,Se)2, der heute vielversprechendsten D{\"u}nnschichttechnologie, durchgef{\"u}hrt. F{\"u}r eine weitere Optimierung der Zellen ist ein detailliertes Verst{\"a}ndnis ihrer chemischen, elektronischen und strukturellen Eigenschaften notwendig. Insbesondere die in dieser Arbeit untersuchten Eigenschaften an den Grenzfl{\"a}chen der Zelle sind aufgrund ihrer zentralen Rolle f{\"u}r den Ladungstr{\"a}gertransport von besonderem Interesse. Bei den vorliegenden Untersuchungen kamen verschiedene Spektroskopien zum Einsatz. Mit einer Kombination von Photoelektronenspektroskopie und Inverser Photoelektronenspektroskopie war es m{\"o}glich, sowohl eine direkte Bestimmung der Valenz- und Leitungsbandanpassungen an den untersuchten Grenzfl{\"a}chen durchzuf{\"u}hren als auch Oberfl{\"a}chenbandl{\"u}cken zu bestimmen. Die Messungen wurden durch die volumenempfindliche R{\"o}ntgenemissionsspektroskopie ideal erg{\"a}nzt, die - wie diese Arbeit zeigt - zusammen mit der Photoelektronenspektroskopie besonders n{\"u}tzlich bei der Analyse des Durchmischungsverhaltens an Grenzfl{\"a}chen oder auch des Einflusses chemischer Behandlungen auf die chemischen und elektronischen Eigenschaften von Oberfl{\"a}chen ist. Im ersten Teil der Arbeit wurden vier Grenzfl{\"a}chen in Proben auf der Basis des Cu(In,Ga)(S,Se)2-Absorbers von Shell Solar (M{\"u}nchen) untersucht. Es konnte dabei zun{\"a}chst das Durchmischungsverhalten an der CdS/CuIn(S,Se)2-Grenzfl{\"a}che in Abh{\"a}ngigkeit des S-Gehaltes an der Absorberoberfl{\"a}che untersucht werden. Bei Messungen an der i-ZnO/CdS-Grenzfl{\"a}che wurde ein flacher Leitungsbandverlauf gefunden, zudem konnte eine Durchmischung an dieser Grenzfl{\"a}che ausgeschlossen werden. Eine besondere Herausforderung stellten die Messungen an der Grenzfl{\"a}che des Absorbers zum Molybd{\"a}nr{\"u}ckkontakt dar, da diese Grenzfl{\"a}che nach ihrem Entstehen unweigerlich unter der etwa 1-2 um dicken Absorberschicht begraben liegt. Durch geeignetes Abspalten des Absorbers vom R{\"u}ckkontakt gelang es, diese Grenzfl{\"a}che freizulegen und zu spektroskopieren. Die Untersuchungen zur Vorbehandlung des Shell-Absorbers mit einer ammoniakalischen Cd-L{\"o}sung dienten dem Verst{\"a}ndnis der positiven Einfl{\"u}sse dieser Behandlung auf den Zellwirkungsgrad. Dabei wurde neben verschiedenen Reinigungswirkungen auf den Absorber als wichtigster Befund die Bildung einer sehr d{\"u}nnen CdS-Schicht und, f{\"u}r hohe Cd-Konzentrationen, einer zus{\"a}tzlichen Cd(OH)2-Schicht auf der Absorberoberfl{\"a}che nachgewiesen. Die gewonnenen Erkenntnisse {\"u}ber die Cd-Behandlung haben eine besondere Bedeutung f{\"u}r die Untersuchung der Grenzfl{\"a}che des Absorbers und einer mit ILGAR ("Ion Layer Gas Reaction") hergestellten Zn(O,OH)-Pufferschicht. An dieser Grenzfl{\"a}che wurde die Bandanpassung mit und ohne vorherige Cd-Behandlung des Absorbers vermessen. Wird die Bandanpassung ohne Vorbehandlung noch durch Adsorbate auf dem Absorber dominiert, wobei man ein "Cliff" im Leitungsband findet, so ist der Leitungsbandverlauf f{\"u}r die Grenzfl{\"a}che mit Cd-behandeltem Absorber flach, was im Einklang mit den sehr guten Wirkungsgraden steht, die mit solchen Zellen erreicht werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Messungen an D{\"u}nnschichtsolarzellen mit selenfreiem Cu(In,Ga)S2 Absorber diskutiert. Ein Problem des Cu(In,Ga)S2-Systems besteht heute noch darin, daß die offene Klemmenspannung geringer ausf{\"a}llt, als dies aufgrund der im Vergleich zu CuInSe2 gr{\"o}ßeren Bandl{\"u}cke zu erwarten w{\"a}re. Modelle, die dies auf eine ung{\"u}nstige Bandanpassung an der CdS/Cu(In,Ga)S2-Grenzfl{\"a}che zur{\"u}ckf{\"u}hren, konnten in dieser Arbeit durch die Messung der Leitungsbandanpassung, die ein deutlich "Cliff"-artiges Verhalte aufweist, best{\"a}tigt werden. Untersuchungen des Einflusses unterschiedlicher Oberfl{\"a}chenzusammensetzungen auf die chemischen und elektronischen Eigenschaften der Cu(In,Ga)Se2-Absorberoberfl{\"a}che ergaben, wie sich die Bandl{\"u}cke des Absorbers mit wachsender Kupferverarmung vergr{\"o}ßert und gleichzeitig die Bandverbiegung zunimmt. Im letzten, rein grundlagenorientierten Teil dieser Arbeit wurden R{\"o}ntgenabsorptions- und resonante R{\"o}ntgenemissionsmessungen an CdS und ZnS im Vergleich zu von A. Fleszar berechneten theoretischen Spektren, die unter Ber{\"u}cksichtigung der {\"U}bergangsmatrixelemente aus einer LDA-Bandstruktur berechnet wurden, diskutiert. Es konnten dabei sowohl Anregungen in exzitonische Zust{\"a}nde als auch koh{\"a}rente Emission mit Informationen {\"u}ber die Bandstruktur gefunden werden. Auch war es m{\"o}glich, die Lebensdauern verschiedener Valenzlochzust{\"a}nde zu bestimmen. Es zeigt sich, daß so die Bestimmung einer unteren Grenze f{\"u}r die Bandl{\"u}cke m{\"o}glich ist, f{\"u}r eine genaue Bestimmung bei den untersuchten Verbindungen jedoch ein Vergleich mit theoretischen Berechnungen notwendig ist.},
  subject      = {D{\"u}nnschichtsolarzelle},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Berner2015,
  author    = {Berner, G{\"o}tz},
  title     = {Funktionelle oxidische Heterostrukturen aus dem Blickwinkel der Spektroskopie},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-121721},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {In oxidischen Heterostrukturen rufen Neuordnung von Ladung und Spin eine Vielzahl von unerwarteten physikalischen Eigenschaften hervor. Die M{\"o}glichkeit, Leitf{\"a}higkeit, Magnetismus oder auch Hochtemperatur-Supraleitung zu kontrollieren, machen diese k{\"u}nstlich hergestellten Materialien vor allem in Hinblick auf eine zuk{\"u}nftige Anwendung in der Mikroelektronik {\"a}ußerst interessant. Dies erfordert jedoch ein grunds{\"a}tzliches Verst{\"a}ndnis f{\"u}r die zugrunde liegenden Mechanismen. Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich mit photonengest{\"u}tzter Spektroskopie, die einen direkten Zugang zur elektronischen Struktur dieser Heterostruktursysteme erm{\"o}glicht. Ein weiteres Ziel ist es, geeignete spektroskopische Methoden zur Charakterisierung der vergrabenen Schichten zu etablieren. Zwei prototypische oxidische Mehrschichtsysteme stehen im Zentrum der hier vorgestellten Untersuchungen. Das LaAlO3/SrTiO3-Heterostruktursystem weist ab einer kritischen LaAlO3-Filmdicke an der Grenzfl{\"a}che ein zweidimensionales Elektronensystem mit hochmobilen Ladungstr{\"a}gern auf. Als treibender Mechanismus wird die elektronische Rekonstruktion diskutiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde dieses zweidimensionale Elektronensystem mithilfe der Photoelektronenspektroskopie und der resonanten inelastischen R{\"o}ntgenstreuung charakterisiert. Die daraus bestimmten Ladungstr{\"a}gerdichten weisen im Vergleich mit Daten aus Transportmessungen auf eine Koexistenz von lokalisierten und mobilen Ladungstr{\"a}gern an der Grenzfl{\"a}che hin. Die Analyse von Rumpfniveau- und Valenzbandspektren zeigt, dass man zur Erkl{\"a}rung der experimentellen Resultate ein modifiziertes Bild der elektronischen Rekonstruktion ben{\"o}tigt, bei der Sauerstofffehlstellen an der LaAlO3-Oberfl{\"a}che als Ladungsreservoir dienen k{\"o}nnten. Mithilfe der resonanten Photoelektronenspektroskopie war es m{\"o}glich, die metallischen Zust{\"a}nde am chemischen Potential impulsaufgel{\"o}st zu spektroskopieren. So gelang es erstmals, die vergrabene Fermi-Fl{\"a}che einer oxidischen Heterostruktur zu vermessen. Außerdem konnten Titan-artige Zust{\"a}nde identifiziert werden, die h{\"o}chstwahrscheinlich durch Sauerstofffehlstellen im SrTiO3 lokalisiert sind. Diese werden als m{\"o}gliche Quelle f{\"u}r den Ferromagnetismus interpretiert, der mit der supraleitenden Phase in der LaAlO3/SrTiO3-Heterostruktur koexistiert. Bei dem anderen hier untersuchten Mehrschichtsystem handelt es sich um die LaNiO3-LaAlO3-{\"U}bergitterstruktur. Der Einbau des metallischen LaNiO3 in eine Heterostruktur ist aufgrund seiner N{\"a}he zu einer korrelationsinduzierten isolierenden Phase hinsichtlich einer kontrollierten Ausbildung von neuartigen Phasen besonders interessant. In der Tat beobachtet man unterhalb einer LaNiO3-Schichtdicke von vier Einheitszellen einen kontinuierlichen Metall-Isolator-{\"U}bergang, der sich in den Valenzbandspektren durch einen Verlust an Quasiteilchenkoh{\"a}renz {\"a}ußert. Auch wenn die impulsaufgel{\"o}sten Daten am Fermi-Niveau durch Photoelektronenbeugung beeinflusst sind, so l{\"a}sst sich dennoch eine Fermi-Fl{\"a}che identifizieren. Ihre Topologie bietet die M{\"o}glichkeit eines Fermi-Fl{\"a}chen-Nestings mit der Ausbildung einer Spindichtewelle. Die Resultate unterst{\"u}tzen die Hinweise auf eine magnetische Ordnung im zweidimensionalen Grundzustand.},
  subject      = {Heterostruktur},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Stuehler2023,
  author    = {St{\"u}hler, Rudolf Raul Albert},
  title     = {Growth and Spectroscopy of the Two-dimensional Topological Insulator Bismuthene on SiC(0001)},
  doi       = {10.25972/OPUS-32008},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-320084},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {A plethora of novel material concepts are currently being investigated in the condensed matter research community. Some of them hold promise to shape our everyday world in a way that silicon-based semiconductor materials and the related development of semiconductor devices have done in the past. In this regard, the last decades have witnessed an explosion of studies concerned with so called ''quantum materials'' with emerging novel functionalities. These could eventually lead to new generations of electronic and/or spintronic devices. One particular material class, the so called topological materials, play a central role. As far as their technological applicability is concerned, however, they are still facing outstanding challenges to date. Predicted for the first time in 2005 and experimentally verified in 2007, two-dimensional topological insulators (2D TIs) (a.k.a. quantum spin Hall insulators) exhibit the outstanding property of hosting spin-polarized metallic states along the boundaries of the insulating 2D bulk material, which are protected from elastic single-particle backscattering and give rise to the quantum spin Hall effect (QSHE). Owing to these peculiar properties the QSHE holds promise for dissipationless charge and/or spin transport. However, also in today's best 2D TIs the observation of the QSHE is still limited to cryogenic temperatures of maximum 100 K. Here, the discovery of bismuthene on SiC(0001) has marked a milestone towards a possible realization of the QSHE at or beyond room-temperature owing to the massively increased electronic bulk energy gap on the order of 1 eV. This thesis is devoted to and motivated by the goal of advancing its synthesis and to build a deeper understanding of its one-particle and two-particle electronic properties that goes beyond prior work. Regarding the aspect of material synthesis, an improved growth procedure for bismuthene is elaborated that increases the domain size of the material considerably (by a factor of ≈ 3.2 - 6.5 compared to prior work). The improved film quality is an important step towards any future device application of bismuthene, but also facilitates all further basic studies of this material. Moreover, the deposition of magnetic transition metals (Mn and Co) on bismuthene is investigated. Thereby, the formation of ordered magnetic Bi-Mn/Co alloys is realized, their structure is resolved with scanning tunneling microscopy (STM), and their pristine electronic properties are resolved with scanning tunneling spectroscopy (STS) and photoemission spectroscopy (PES). It is proposed that these ordered magnetic Bi-Mn/Co-alloys offer the potential to study the interplay between magnetism and topology in bismuthene in the future. In this thesis, a wide variety of spectroscopic techniques are employed that aim to build an understanding of the single-particle, as well as two-particle level of description of bismuthene's electronic structure. The techniques involve STS and angle-resolved PES (ARPES) on the one hand, but also optical spectroscopy and time-resolved ARPES (trARPES), on the other hand. Moreover, these experiments are accompanied by advanced numerical modelling in form of GW and Bethe-Salpeter equation calculations provided by our theoretical colleagues. Notably, by merging many experimental and theoretical techniques, this work sets a benchmark for electronic structure investigations of 2D materials in general. Based on the STS studies, electronic quasi-particle interferences in quasi-1D line defects in bismuthene that are reminiscent of Fabry-P{\´e}rot states are discovered. It is shown that they point to a hybridization of two pairs of helical boundary modes across the line defect, which is accompanied by a (partial) lifting of their topological protection against elastic single-particle backscattering. Optical spectroscopy is used to reveal bismuthene's two-particle elecronic structure. Despite its monolayer thickness, a strong optical (two-particle) response due to enhanced electron-hole Coulomb interactions is observed. The presented combined experimental and theoretical approach (including GW and Bethe-Salpeter equation calculations) allows to conclude that two prominent optical transitions can be associated with excitonic transitions derived from the Rashba-split valence bands of bismuthene. On a broader scope this discovery might promote further experiments to elucidate links of excitonic and topological physics. Finally, the excited conduction band states of bismuthene are mapped in energy and momentum space employing trARPES on bismuthene for the first time. The direct and indirect band gaps are succesfully extracted and the effect of excited charge carrier induced gap-renormalization is observed. In addition, an exceptionally fast excited charge carrier relaxation is identified which is explained by the presence of a quasi-metallic density of states from coupled topological boundary states of domain boundaries.},
  subject      = {Topologischer Isolator},
  language  = {en}
}