Hypersonic phonon propagation in mesoscopic systems by Brillouin spectroscopy

Phononic crystals, capable to block or direct the propagation of elastic/acoustic waves, have attracted increasing interdisciplinary interest across condensed matter physics and materials science. As of today, no generalized full description of elastic wave propagation in phononic structures is available, mainly due to the large number of variables determining the band diagram. Therefore, this thesis aims for a deeper understanding of the fundamental concepts governing wave propagation in mesoscopic structures by investigation of appropriate model systems. The phononic dispersion relation at hypersonic frequencies is directly investigated by the non-destructive technique of high-resolution spontaneous Brillouin light scattering (BLS) combined with computational methods. Due to the vector nature of the elastic wave propagation, we first studied the hypersonic band structure of hybrid superlattices. These 1D phononic crystals composed of alternating layers of hard and soft materials feature large Bragg gaps. BLS spectra are sensitive probes of the moduli, photo-elastic constants and structural parameters of the constituent components. Engineering of the band structure can be realized by introduction of defects. Here, cavity layers are employed to launch additional modes that modify the dispersion of the undisturbed superlattice, with extraordinary implications to the band gap region. Density of states calculations in conjunction with the associated deformation allow for unambiguous identication of surface and cavity modes, as well as their interaction with adjacent defects. Next, the role of local resonances in phononic systems is explored in 3D structures based on colloidal particles. In turbid media BLS records the particle vibration spectrum comprising resonant modes due to the spatial confinement of elastic energy. Here, the frequency and lineshapes of the particle eigenmodes are discussed as function of increased interaction and departure from spherical symmetry. The latter is realized by uniaxial stretching of polystyrene spheres, that can be aligned in an alternating electric field. The resulting spheroidal crystals clearly exhibit anisotropic phononic properties. Establishing reliable predictions of acoustic wave propagation, necessary to advance, e.g., optomechanics and phononic devices is the ultimate aim of this thesis.

Thermoelectric properties of TiNiSn and Zr 0.5 Hf 0.5 NiSn thin films and superlattices with reduced thermal conductivities

Durch steigende Energiekosten und erhöhte CO2 Emission ist die Forschung an thermoelektrischen (TE) Materialien in den Fokus gerückt. Die Eignung eines Materials für die Verwendung in einem TE Modul ist verknüpft mit der Gütezahl ZT und entspricht α2σTκ-1 (Seebeck Koeffizient α, Leitfähigkeit σ, Temperatur T und thermische Leitfähigkeit κ). Ohne den Leistungsfaktor α2σ zu verändern, soll ZT durch Senkung der thermischen Leitfähigkeit mittels Nanostrukturierung angehoben werden.rnBis heute sind die TE Eigenschaften von den makroskopischen halb-Heusler Materialen TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn ausgiebig erforscht worden. Mit Hilfe von dc Magnetron-Sputterdeposition wurden nun erstmals halbleitende TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn Schichten hergestellt. Auf MgO (100) Substraten sind stark texturierte polykristalline Schichten bei Substrattemperaturen von 450°C abgeschieden worden. Senkrecht zur Oberfläche haben sich Korngrößen von 55 nm feststellen lassen. Diese haben Halbwertsbreiten bei Rockingkurven von unter 1° aufgewiesen. Strukturanalysen sind mit Hilfe von Röntgenbeugungsexperimenten (XRD) durchgeführt worden. Durch Wachstumsraten von 1 nms 1 konnten in kürzester Zeit Filmdicken von mehr als einem µm hergestellt werden. TiNiSn zeigte den höchsten Leistungsfaktor von 0.4 mWK 2m 1 (550 K). Zusätzlich wurde bei Raumtemperatur mit Hilfe der differentiellen 3ω Methode eine thermische Leitfähigkeit von 2.8 Wm 1K 1 bestimmt. Es ist bekannt, dass die thermische Leitfähigkeit mit der Variation von Massen abnimmt. Weil zudem angenommen wird, dass sie durch Grenzflächenstreuung von Phononen ebenfalls reduziert wird, wurden Übergitter hergestellt. Dabei wurden TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn nacheinander abgeschieden. Die sehr hohe Kristallqualität der Übergitter mit ihren scharfen Grenzflächen konnte durch Satellitenpeaks und Transmissionsmikroskopie (STEM) nachgewiesen werden. Für ein Übergitter mit einer Periodizität von 21 nm (TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn jeweils 10.5 nm) ist bei einer Temperatur von 550 K ein Leistungsfaktor von 0.77 mWK 2m 1 nachgewiesen worden (α = 80 µVK 1; σ = 8.2 µΩm). Ein Übergitter mit der Periodizität von 8 nm hat senkrecht zu den Grenzflächen eine thermische Leitfähigkeit von 1 Wm 1K 1 aufgewiesen. Damit hat sich die Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit durch die halb-Heusler Übergitter bestätigt. Durch die isoelektronischen Eigenschaften von Titan, Zirkonium und Hafnium wird angenommen, dass die elektrische Bandstruktur und damit der Leistungsfaktor senkrecht zu den Grenzflächen nur schwach beeinflusst wird.rn

Plasmonic nanoparticles as sensors : a novel approach to quantify adsorption and diffusion kinetics

Biosensors find wide application in clinical diagnostics, bioprocess control and environmental monitoring. They should not only show high specificity and reproducibility but also a high sensitivity and stability of the signal. Therefore, I introduce a novel sensor technology based on plasmonic nanoparticles which overcomes both of these limitations. Plasmonic nanoparticles exhibit strong absorption and scattering in the visible and near-infrared spectral range. The plasmon resonance, the collective coherent oscillation mode of the conduction band electrons against the positively charged ionic lattice, is sensitive to the local environment of the particle. I monitor these changes in the resonance wavelength by a new dark-field spectroscopy technique. Due to a strong light source and a highly sensitive detector a temporal resolution in the microsecond regime is possible in combination with a high spectral stability. This opens a window to investigate dynamics on the molecular level and to gain knowledge about fundamental biological processes.rnFirst, I investigate adsorption at the non-equilibrium as well as at the equilibrium state. I show the temporal evolution of single adsorption events of fibrinogen on the surface of the sensor on a millisecond timescale. Fibrinogen is a blood plasma protein with a unique shape that plays a central role in blood coagulation and is always involved in cell-biomaterial interactions. Further, I monitor equilibrium coverage fluctuations of sodium dodecyl sulfate and demonstrate a new approach to quantify the characteristic rate constants which is independent of mass transfer interference and long term drifts of the measured signal. This method has been investigated theoretically by Monte-Carlo simulations but so far there has been no sensor technology with a sufficient signal-to-noise ratio.rnSecond, I apply plasmonic nanoparticles as sensors for the determination of diffusion coefficients. Thereby, the sensing volume of a single, immobilized nanorod is used as detection volume. When a diffusing particle enters the detection volume a shift in the resonance wavelength is introduced. As no labeling of the analyte is necessary the hydrodynamic radius and thus the diffusion properties are not altered and can be studied in their natural form. In comparison to the conventional Fluorescence Correlation Spectroscopy technique a volume reduction by a factor of 5000-10000 is reached.

Sensing applications of biofunctionalised plasmonic gold nanoparticles

Plasmonische Metallnanopartikel bündeln, verstärken und beeinflussen Licht auf nanoskopischer Ebene. Diese grundlegende Eigenschaft kommt von koheränten, kollektiven Schwingungen der Leitungsbandelektronen, die von einfallendem Licht resonant angeregt und lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) oder ‚Partikelplasmonen‘ genannt werden. Plasmonen in Metallnanopartikeln wurden bisher z.B. zur Erkennen von pathogenen Biomolekülen, bei der photothermischen Therapie und zur Verbesserung der Effizienz von Solarzellen verwendet. In dieser Arbeit werde ich meinen Fokus auf die Synthese und Funktionalisierung von Goldnanopartikeln zur Anwendung als Sensoren legen.rnrnKürzliche Verbesserungen in der nasschemischen Synthese haben zur Herstellung von Goldnanopartikel mit unterschiedlichen Formen und Größen geführt, die sich in ihren Sensoreigenschaften unterscheiden. Unter den unterschiedlichen Sensorgeometrien sind Goldnanostäbchen die bevorzugte Form zur Biomolekül-Sensorik durch LSPR. Nanostäbchen werden durch eine positiv geladene CTAB-Schicht stabilisiert, die Proteine bei neutralem pH-Wert anziehen kann. Die Adsorption und Desorption von Proteinen an der Nanopartikeloberfläche und damit die Bindungskinetiken von Proteinen kann auf Einzelmolekülebene erforscht werden. Ich zeige hier eine Studie mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung um einzelne Bindungsereignisse von Fibronectin auf Goldnanostäbchen darzustellen.rnrnGoldnanostäbchen müssen mit spezifischen biologischen Erkennungselementen funktionalisiert werden um eine Analyterkennung oder Proteinwechselwirkung zu erreichen. Ich funktionalisiere Goldnanostäbchen mit kurzen DNA-Sequenzen (Aptamer-Sequenzen und NTA konjugierten Polihymidinen) und habe anhand diese unterschiedlich sensitiven Partikel eine Studie mit verschiedenen Analyten (oder Protein-Protein Wechselwirkungen) erfolgreich durchgeführt.rn rnPlasmonen von Nanopartikel-Clustern koppeln miteinander, was ihre Resonanzenergie ändert. Der kontrollierte Zusammenbau von Nanopartikeln zu Dimeren oder höher geordneten Strukturen wie ‚Core-Satellites‘ können dazu dienen ihre Sensitivität zu erhöhen. Diese Cluster bieten eine hohe Sensitivität auf Grund der Anwesenheit von plasmonischen Hotspots in der Lücke zwischen zwei Partikeln. Die Plasmonkopplung ist ein Phänomen, das abhängig vom Abstand zweier Partikel zueinander ist und bildet somit die Basis von sogenannten Plasmon-Linealen. Ich habe eine Strategie entwickelt um Dimere aus Hsp90 funktionalisierten Goldnanosphären zu bilden. Diese Technik wird nicht durch Ausbleichen oder das Blinken von Farbstoffen limitiert und ich zeige zum ersten Mal wie man dadurch dynamische Proteinkonformationen untersuchen kann.rn

Exact quantum Monte Carlo methods for correlated electron systems

Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung und Kombination verschiedener numerischer Methoden, sowie deren Anwendung auf Probleme stark korrelierter Elektronensysteme. Solche Materialien zeigen viele interessante physikalische Eigenschaften, wie z.B. Supraleitung und magnetische Ordnung und spielen eine bedeutende Rolle in technischen Anwendungen. Es werden zwei verschiedene Modelle behandelt: das Hubbard-Modell und das Kondo-Gitter-Modell (KLM). In den letzten Jahrzehnten konnten bereits viele Erkenntnisse durch die numerische Lösung dieser Modelle gewonnen werden. Dennoch bleibt der physikalische Ursprung vieler Effekte verborgen. Grund dafür ist die Beschränkung aktueller Methoden auf bestimmte Parameterbereiche. Eine der stärksten Einschränkungen ist das Fehlen effizienter Algorithmen für tiefe Temperaturen.rnrnBasierend auf dem Blankenbecler-Scalapino-Sugar Quanten-Monte-Carlo (BSS-QMC) Algorithmus präsentieren wir eine numerisch exakte Methode, die das Hubbard-Modell und das KLM effizient bei sehr tiefen Temperaturen löst. Diese Methode wird auf den Mott-Übergang im zweidimensionalen Hubbard-Modell angewendet. Im Gegensatz zu früheren Studien können wir einen Mott-Übergang bei endlichen Temperaturen und endlichen Wechselwirkungen klar ausschließen.rnrnAuf der Basis dieses exakten BSS-QMC Algorithmus, haben wir einen Störstellenlöser für die dynamische Molekularfeld Theorie (DMFT) sowie ihre Cluster Erweiterungen (CDMFT) entwickelt. Die DMFT ist die vorherrschende Theorie stark korrelierter Systeme, bei denen übliche Bandstrukturrechnungen versagen. Eine Hauptlimitation ist dabei die Verfügbarkeit effizienter Störstellenlöser für das intrinsische Quantenproblem. Der in dieser Arbeit entwickelte Algorithmus hat das gleiche überlegene Skalierungsverhalten mit der inversen Temperatur wie BSS-QMC. Wir untersuchen den Mott-Übergang im Rahmen der DMFT und analysieren den Einfluss von systematischen Fehlern auf diesen Übergang.rnrnEin weiteres prominentes Thema ist die Vernachlässigung von nicht-lokalen Wechselwirkungen in der DMFT. Hierzu kombinieren wir direkte BSS-QMC Gitterrechnungen mit CDMFT für das halb gefüllte zweidimensionale anisotrope Hubbard Modell, das dotierte Hubbard Modell und das KLM. Die Ergebnisse für die verschiedenen Modelle unterscheiden sich stark: während nicht-lokale Korrelationen eine wichtige Rolle im zweidimensionalen (anisotropen) Modell spielen, ist in der paramagnetischen Phase die Impulsabhängigkeit der Selbstenergie für stark dotierte Systeme und für das KLM deutlich schwächer. Eine bemerkenswerte Erkenntnis ist, dass die Selbstenergie sich durch die nicht-wechselwirkende Dispersion parametrisieren lässt. Die spezielle Struktur der Selbstenergie im Impulsraum kann sehr nützlich für die Klassifizierung von elektronischen Korrelationseffekten sein und öffnet den Weg für die Entwicklung neuer Schemata über die Grenzen der DMFT hinaus.

Planar magneto-photonic and gradient-photonic structures : crystals and metamaterials.

In the field of photonics, two new types of material structures, photonic crystals and metamaterials, are presently of great interest. Both are studied in the present work, which focus on planar magnetic materials in the former and planar gradient metamaterials in the latter. These planar periodic structures are easy to handle and integrate into optical systems. The applications are promising field for future optical telecommunication systems and give rise to new optical, microwave and radio technologies. The photonic crystal part emphasizes the utilization of magnetic material based photonic crystals due to its remarkable magneto-optical characteristics. Bandgaps tuning by magnetic field in bismuth-gadolinium-substituted lutetium iron garnet (Bi0.8 Gd0.2 Lu2.0 Fe5 O12) based one- dimensional photonic crystals are investigated and demonstrated in this work. Magnetic optical switches are fabricated and tested. Waveguide formulation for band structure in magneto photonic crystals is developed. We also for the first time demonstrate and test two- dimensional magneto photonic crystals optical. We observe multi-stopbands in two- dimensional photonic waveguide system and study the origin of multi-stopbands. The second part focus on studying photonic metamaterials and planar gradient photonic metamaterial design. We systematically study the effects of varying the geometry of the fishnet unit cell on the refractive index in optical frequency. It is the first time to design and demonstrate the planar gradient structure in the high optical frequency. Optical beam bending using planar gradient photonic metamaterials is observed. The technologies needed for the fabrication of the planar gradient photonic metamaterials are investigated. Beam steering devices, shifter, gradient optical lenses and etc. can be derived from this design.

A numerical study of Bi-periodic binary diffraction gratings for solar cell applications

In this paper, a numerical study is made of simple bi-periodic binary diffraction gratings for solar cell applications. The gratings consist of hexagonal arrays of elliptical towers and wells etched directly into the solar cell substrate. The gratings are applied to two distinct solar cell technologies: a quantum dot intermediate band solar cell (QD-IBSC) and a crystalline silicon solar cell (SSC). In each case, the expected photocurrent increase due to the presence of the grating is calculated assuming AM1.5D illumination. For each technology, the grating period, well/tower depth and well/tower radii are optimised to maximise the photocurrent. The optimum parameters are presented. Results are presented for QD-IBSCs with a range of quantum dot layers and for SSCs with a range of thicknesses. For the QD-IBSC, it is found that the optimised grating leads to an absorption enhancement above that calculated for an ideally Lambertian scatterer for cells with less than 70 quantum dot layers. In a QD-IBSC with 50 quantum dot layers equipped with the optimum grating, the weak intermediate band to conduction band transition absorbs roughly half the photons in the corresponding sub-range of the AM1.5D spectrum. For the SSC, it is found that the optimised grating leads to an absorption enhancement above that calculated for an ideally Lambertian scatterer for cells with thicknesses of 10 ?m or greater. A 20um thick SSC equipped with the optimised grating leads to an absorption enhancement above that of a 200um thick SSC equipped with a planar back reflector.

Modelling of quantum dot solar cells for concentrator PV applications

An equivalent circuit model is applied in order to describe the operation characteristics of quantum dot intermediate band solar cells (QD-IBSCs), which accounts for the recombination paths of the intermediate band (IB) through conduction band (CB), the valence band (VB) through IB, and the VB-CB transition. In this work, fitting of the measured dark J-V curves for QD-IBSCs (QD region being non-doped or direct Si-doped to n-type) and a reference GaAs p-i-n solar cell (no QDs) were carried out using this model in order to extract the diode parameters. The simulation was then performed using the extracted diode parameters to evaluate solar cell characteristics under concentration. In the case of QDSC with Si-doped (hence partially-filled) QDs, a fast recovery of the open-circuit voltage (Voc) was observed in a range of low concentration due to the IB effect. Further, at around 100X concentration, Si-doped QDSC could outperform the reference GaAs p-i-n solar cell if the current source of IB current source were sixteen times to about 10mA/cm2 compared to our present cell.

Thermally assisted tunneling transport in La0.7Ca0.3MnO3/SrTiO3:Nb Schottky-like heterojunctions

We report on the electrical transport properties of all-oxide La0.7Ca0.3MnO3/SrTiO3:Nb heterojunctions with lateral size of just a few micrometers. The use of lithography techniques to pattern manganite pillars ensures perpendicular transport and allows exploration of the microscopic conduction mechanism through the interface. From the analysis of the current-voltage characteristics in the temperature range 20-280 K we find a Schottky-like behavior that can be described by a mechanism of thermally assisted tunneling if a temperature-dependent value of the dielectric permittivity of SrTiO3:Nb (NSTO) is considered.We determine the Schottky energy barrier at the interface, qVB = 1.10 ± 0.02 eV, which is found to be temperature independent, and a value of ? = 17 ± 2 meV for the energy of the Fermi level in NSTO with respect to the bottom of its conduction band.

Deep levels in a-plane, high Mg-content MgxZn1-xO epitaxial layers grown by molecular beam epitaxy

Deep level defects in n-type unintentionally doped a-plane MgxZn1−xO, grown by molecular beam epitaxy on r-plane sapphire were fully characterized using deep level optical spectroscopy (DLOS) and related methods. Four compositions of MgxZn1−xO were examined with x = 0.31, 0.44, 0.52, and 0.56 together with a control ZnO sample. DLOS measurements revealed the presence of five deep levels in each Mg-containing sample, having energy levels of Ec − 1.4 eV, 2.1 eV, 2.6 V, and Ev + 0.3 eV and 0.6 eV. For all Mg compositions, the activation energies of the first three states were constant with respect to the conduction band edge, whereas the latter two revealed constant activation energies with respect to the valence band edge. In contrast to the ternary materials, only three levels, at Ec − 2.1 eV, Ev + 0.3 eV, and 0.6 eV, were observed for the ZnO control sample in this systematically grown series of samples. Substantially higher concentrations of the deep levels at Ev + 0.3 eV and Ec − 2.1 eV were observed in ZnO compared to the Mg alloyed samples. Moreover, there is a general invariance of trap concentration of the Ev + 0.3 eV and 0.6 eV levels on Mg content, while at least and order of magnitude dependency of the Ec − 1.4 eV and Ec − 2.6 eV levels in Mg alloyed samples.

Absorption coefficient for the intraband transitions in quantum dot materials

In this paper, we present calculations of the absorption coefficient for transitions between the bound states of quantum dots grown within a semiconductor and the extended states of the conduction band. For completeness, transitions among bound states are also presented. In the separation of variables, single band k·p model is used in which most elements may be expressed analytically. The analytical formulae are collected in the appendix of this paper. It is concluded that the transitions are strong enough to provide a quick path to the conduction band for electrons pumped from the valence to the intermediate band

Effect of the oxygen isoelectronic substitution in Cu2ZnSnS4 and its photovoltaic application

The optoelectronic properties of Cu2ZnSnS4 and environmental considerations have attracted significant interest for photovoltaics. Using first-principles, we analyze the possible improvement of this material as a photovoltaic absorber via the isoelectronic substitution of S with O atoms. The evolution of the acceptor level is analyzed with respect to the atomic position of the nearest neighbors of the O atom. We estimate the maximum efficiency of this compound when used as a light absorber. The presence of the sub-band gap level below the conduction band could increases the solar-energy conversion with respect to the host.

Photovoltaic application of O-doped Wittichenite-Cu 3 BiS 3: from microscopic properties to maximum efficiencies

The electronic properties and the low environmental impact of Cu 3 BiS 3 make this compound a promising material for low-cost thin film solar cell technology. From the first principles, the electronic properties of the isoelectronic substitution of S by O in Cu 3 BiS 3 have been obtained using two different exchange-correlation potentials. This compound has an acceptor level below the conduction band, which modifies the opto-electronic properties with respect to the host semiconductor. In order to analyze a possible efficiency increment with respect to the host semiconductor, we have calculated the maximum efficiency of this photovoltaic absorber material.

Virtual-bound, filamentary and layered states in a box-shaped quantum dot of square potential form the exact numerical solution of the effective mass Schrodinger equation

The effective mass Schrodinger equation of a QD of parallelepipedic shape with a square potential well is solved by diagonalizing the exact Hamiltonian matrix developed in a basis of separation-of-variables wavefunctions. The expected below bandgap bound states are found not to differ very much from the former approximate calculations. In addition, the presence of bound states within the conduction band is confirmed. Furthermore, filamentary states bounded in two dimensions and extended in one dimension and layered states with only one dimension bounded, all within the conduction band which are similar to those originated in quantum wires and quantum wells coexist with the ordinary continuum spectrum of plane waves. All these subtleties are absent in spherically shaped quantum dots, often used for modeling.

Fermi-edge singularities in linear and nonlinear ultrafast spectroscopy

We discuss Fermi-edge singularity effects on the linear and nonlinear transient response of an electron gas in a doped semiconductor. We use a bosonization scheme to describe the low-energy excitations, which allows us to compute the time and temperature dependence of the response functions. Coherent control of the energy absorption at resonance is analyzed in the linear regime. It is shown that a phase shift appears in the coherent control oscillations, which is not present in the excitonic case. The nonlinear response is calculated analytically and used to predict that four wave-mixing experiments would present a Fermi-edge singularity when the exciting energy is varied. A new dephasing mechanism is predicted in doped samples that depends linearly on temperature and is produced by the low-energy bosonic excitations in the conduction band.