TY - THES A1 - Melnik, Nauka T1 - Untersuchung des Strahlungsdrucks auf dünne Folien unter Weltraumbedingungen T1 - Investigation of radiation pressure on thin foils under space conditions N2 - Trifft elektromagnetische Strahlung auf einen Körper, geben die Photonen ihren Impuls ab, bei einer idealen Reflexion sogar den doppelten Impuls. Auf die Oberfläche des bestrahlten Körpers wird somit eine Kraft ausgeübt. Dieser Strahlungsdruck ist extrem gering, jedoch ergeben sich unter speziellen Bedingungen, wie bei einer Anwendung im luftleeren Raum des Weltalls, konkrete effektive Einsatzbereiche. Die Anwendung des Strahlungsdrucks als Antriebsmittel im Bereich der Raumfahrt ist der Ausgangspunkt folgender Dissertation. Großflächige reflektierende Folien können den Strahlungsdruck der Sonne als spezielles Antriebsmittel für Raumfahrzeuge, sogenannte Sonnensegler, nutzen. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Messeinrichtung zur Analyse der Kraftwirkung durch sonnenähnliche Strahlung auf dünne, reflektierende Folien. Des Weiteren wird die Messeinrichtung durch verschiedene Messreihen verifiziert, auftretende Effekte werden charakterisiert. Die Messeinrichtung ist in einer Hochvakuumkammer installiert. Der Strahlungsdruck wird durch eine 1600W Xenon Lampe mit sonnenähnlichem Spektrum auf eine 7,5 µm dicke, mit Aluminium beschichtete Kaptonfolie ausgeübt. Die resultierende Krafteinwirkung auf die Folienoberfläche wird mittels einer Präzisionswaage gemessen. In mehreren Testreihen werden Folienproben unterschiedlichen Bestrahlungsstärken ausgesetzt. Die experimentell ermittelten Messdaten bestätigen die theoretisch berechneten Werte des Strahlungsdrucks. Darüber hinaus zeigt sich im Verlauf der Experimente ein bisher unbeachteter Effekt. An der Folienoberfläche haften unter Atmosphäre Wassermolekülschichten, welche im Vakuum zunächst an der Folie haften bleiben. Diese Moleküle werden erst bei Bestrahlung von der Oberfläche desorbiert. Der Impuls durch die entweichenden Moleküle ist um ein Vielfaches größer als der Impuls der Photonen. Dieser Effekt beeinträchtigt die Strahlungsdruckmessung. Um die störenden Einflüsse zu eliminieren, sind in einer Testprozedur Randbedingungen definiert worden. N2 - Photons of electromagnetic radiation transfer their momentum on bodies; an ideally reflecting surface doubles the value of the momentum. Thus, a force is acting on the radiated surface of that body. The value of this radiation pressure is rather small, but under special condition, like use in exhausted outer space, there is real effective range of application. The initial point of this thesis is the application of radiation pressure as space propulsion. Large areas of reflective thin films can use the solar radiation pressure for a special type of propulsion in spacecraft applications like the so-called solar sails. The object of this thesis is to develop a measuring facility for analysis the acting force on thin reflective foils by solar like radiation. Furthermore, the facility will be verified by series of measurements, occurring effects will be characterized. This measuring system will be built up and operate in a vacuum chamber. A 1600W Xenon lamp with an AM0 spectrum will illuminate a 7.5 µm thick kapton foil coated with aluminum. A high precision balance measures the acting force on foil surface. In different measurement sequences foil samples are irradiated at different energy fluxes. The measured values correspond to the theoretical value of radiation pressure. Also, in the experiment appears a so far disregarded effect. Under atmosphere and still in vacuum water molecules adhere to the foil surface. These molecules desorb due to first strike of the radiation. The momentum by desorbing molecules is much higher than the momentum of photons. This influence affects radiation pressure measurement. Therefore, relevant boundary conditions are defined in a test procedure to eliminate disturbing influences. KW - Strahlungsdruck KW - Sonnensegel KW - Präzisionswaage KW - Desorption KW - Radiation pressure KW - Solar sailing KW - High precision balance KW - Desorption KW - Strahlungsdruck KW - Sonnensegel KW - Extraterrestrische Physik Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-45847 ER - TY - THES A1 - Varlamova, Olga T1 - Self-organized surface patterns originating from femtosecond laser-induced instability T1 - Selbstorganisierte Bildung von periodischen Oberflächenstrukturen nach Femtosekundenlaser-Induzierter Instabilität N2 - The phenomenon of laser-induced periodic surface structures (LIPSS), or ripples, generated by near-infrared radiation with the central wavelength around 800 nanometer (λlaser ≈ 800 nm) and pulse duration about of 100 femtosecond (τpulse ≈ 100 fs) on solid targets is considered in this dissertation. The main aim of the work is a better understanding of the fundamental processes of laser-matter interaction resulting in pattern formation by femtosecond (fs) laser ablation. The problem is of great interest both in fundamental and applied science. The knowledge of the underlying physical mechanisms will provide the opportunity to control surface nanostructuring, which has a big application potential in many modern technologies. Femtosecond LIPSS observed at the bottom of ablation crater reveal a large variety of features including nanostructures with periods below 100 nm. Moreover, the ripple size depends mainly on the irradiation dose/absorbed laser energy and is rather insensitive to the variation of laser wavelength or incidence angle. The orientation of the structures is dictated by laser polarization. All these experimental observations and an astounding similarity of the structures to other patterns originating from instabilities led to the idea to attribute the femtosecond laser nanostructuring to a self-organized pattern formation from laser-induced surface instability. In this dissertation, surface pattern formation upon femtosecond laser ablation is considered in the framework of an adopted surface erosion model, based on the description of spontaneous pattern formation on surfaces bombarded with high-energy ions. We exploit the similarity to ion-beam sputtering and extend a corresponding model for laser ablation by including laser polarization. It has been found that an asymmetry in the deposition and dissipation of the incident laser energy, related to the laser polarization, results in a corresponding dependence of coefficients in a nonlinear equation of the Kuramoto-Sivashinsky type. The surface morphologies calculated in the framework of this model for different configurations of the incident laser electric field show an excellent qualitative agreement with structures observed in ultra-short pulse ablation experiments. In this work, properties of the periodic surface structures induced upon femtosecond laser ablation are studied in detail, focusing on a systematic investigation of the main control parameters regulating the pattern formation process. The results support the non-linear self-organization mechanism of pattern formation from laser-induced surface instability. N2 - Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem Phänomen der Laser-Induzierten Periodischen Oberflächenstrukturen (LIPSS, Ripples), erzeugt bei der Ablation durch ultrakurze Lichtimpulsen mit ≈100 fs Dauer (τPuls ≈ 100 fs) und einer Wellenlänge von 800 nm (λLaser ≈ 800 nm) an unterschiedlichen Targetmaterialien. Das wesentliche Ziel der Arbeit bestand darin, die fundamentale Physik der Oberflächenstrukturierung bei der Femtosekundenlaserablation besser zu verstehen. Das Problem ist von großer Bedeutung sowohl für die Grundlagenforschung als auch in der angewandten Wissenschaft. Die Kenntnis der physikalischen Mechanismen hilft, die Nanostrukturierung von Oberflächen zu kontrollieren, die ein großes Anwendungspotenzial in vielen modernen Technologien bietet. Femtosekunden LIPSS am Boden des Ablationskraters präsentieren eine große Vielfalt von Strukturen bis hin zu einer Periodizität kleiner als 100 nm. Die Größe der Strukturen hängt hauptsächlich von der Bestrahlungsdosis/absorbierten Laserenergie ab, und ist nicht von der Wellenlänge oder dem Einfallswinkel des Laserstrahls beeinflusst. Die Orientierung der Ripples ist mit der Polarisation der Laserpulse verknüpft. Alle diese experimentelle Beobachtungen und eine erstaunliche Ähnlichkeit der Strukturen zu anderen Mustern, die aus Instabilitäten entstehen, haben zur Idee geführt, die Entwicklung der Nanostrukturen im Rahmen einer Oberflächenselbstorganisation aus einer laserinduzierten Instabilität zu erklären. In der Arbeit wird die Entwicklung der periodischen Oberflächenstrukturen bei Femtosekundenlaserablation im Rahmen eines adoptierten Oberflächenerosionsmodels betrachtet. Unser theoretischer Ansatz basiert auf dem Modell für die Entwicklung von selbstorganisierten Oberflächenstrukturen beim hochenergetischen Ionenstrahl-Sputtern. Unsere Erweiterung des Modells berücksichtigt den Einfluss polarisierter Laserstrahlung. Es wird gezeigt, dass die Laserpolarisation eine Asymmetrie in der Verteilung der absorbierten Laserenergie verursachen kann, die auf eine entsprechende Abhängigkeit von Koeffizienten in einer Kuramoto-Sivashinsky Gleichung hinausläuft. Die numerisch berechneten Oberflächenmorphologien zeigen eine ausgezeichnete qualitative Übereinstimmung mit dem Experiment. Das experimentelle Teil der Dissertation präsentiert eine detaillierte Messung der Eigenschaften der laserinduzierten periodischen Oberflächenstrukturen. Der Schwerpunkt der Arbeit lag in der Untersuchung der Parameter die kontrollieren die Bildung/Entwicklung der Nanostrukturen. Die zahlreiche Daten aus Ablations-Experimenten unterstützen den nichtlinearen Charakter der Selbstorganisation bei der laser-induzierten Strukturbildung. KW - Oberflächenstruktur KW - Mikromechanik KW - Laserablation KW - Ultrakurzzeitlaser KW - Femtosekundenlaserablation KW - Laser-induzierte Oberflächenstrukturierung KW - Ripples KW - Selbstorganisierte Strukturbildung KW - Femtosecond laser ablation KW - Laser-induced surface patterning KW - Ripples KW - Selforganized pattern formation Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29530 SN - 978-3-95404-604-1 ER - TY - THES A1 - Mankovics, Daniel T1 - Luminescence investigation of bulk solar silicon and silicon thin films on glass substrate T1 - Lumineszenz-Untersuchungen von bulk-Solarsilizium und Silizium-Dünnfilmen auf Glassubstrat N2 - The aim of this work is to study the optical properties of crystal defects in multicrystalline solar silicon and poly-/microcrystalline silicon thin films on glass substrate. First a setup for photoluminescence imaging on multicrystalline silicon solar wafers was developed. This system is suitable for detecting band-to-band luminescence as well as defect-related luminescence at room temperature on large-scale wafers at different stages of their processing. Spectroscopic photoluminescence investigations of multicrystalline silicon solar wafers indicated a new intense luminescence line at ≈ 0.91 eV at room temperature. The origin of this line is probably found in a specific grain boundary. Furthermore, luminescence in the region of 0.8 eV was investigated in detail, and it was found that probably oxygen is responsible for a peak at 0.77 eV at 80 K. Electroluminescence investigations at room temperature at both materials exhibit extended defect structures such as grain boundaries. Furthermore, it can be concluded that electroluminescence imaging in reverse bias mode indicate on serious breakdown points in solar cells, which can lead to destruction of solar cells and modules. By comparing defect-related and reverse bias electroluminescence images, a difference in the spatial distribution of defects emitting D1 radiation and defects emitting light under reverse bias beyond -12 V is detectable. In addition, there seems to be a correlation in the distribution of non-doping impurities and photoluminescence. Concerning this, vertical slabs of two silicon blocks were examined by means of Fourier-transform infrared spectroscopy and photoluminescence. A correlation of the distributions of interstitial oxygen and the band-to-band luminescence profiles could be found. Additionally, a correlation between D3/D4 luminescence profile and nitrogen distribution in the blocks was observed. Finally, the growth process, particularly the transition from amorphous to microcrystalline silicon by PECVD, was studied by combined photoluminescence and Raman investigations. Formation of silicon nano-grains was detected by means of photoluminescence and Raman spectroscopy. N2 - Das Ziel dieser Arbeit ist es, die optischen Eigenschaften von Kristalldefekten in multikristallinem Solarsilizium und poly-/mikrokristallinen Silizium-Dünnschichten auf Glas-Substrat zu studieren. Zuerst wurde ein Aufbau für Photolumineszenz-Imaging an multikristallinem Silizium-Solarwafern entwickelt. Dieses System eignet sich zur Erfassung von Band-zu-Band-Lumineszenz sowie Defekt-Lumineszenz bei Raumtemperatur großer Solarwafer nach verschiedenen Prozessschritten. Spektroskopische Photolumineszenz-Untersuchungen von multikristallinen Silizium-Solarwafern zeigte eine neue intensive Lumineszenzlinie bei ≈ 0.91 eV bei Raumtemperatur. Der Ursprung dieser Linie liegt wahrscheinlich in einer bestimmten Korngrenze. Weiterhin wurde die Lumineszenz im Bereich von 0.8 eV im Detail untersucht, und es wurde gefunden, dass wahrscheinlich Sauerstoff für einen Peak bei 0.77 eV bei 80 K verantwortlich ist. Elektrolumineszenz Untersuchungen bei Raumtemperatur an beiden Materialien zeigen ausgedehnte Defektstrukturen wie Korngrenzen. Darüber hinaus kann der Schluss gezogen werden, dass das Elektrolumineszenz-Imaging im Rückwärtsvorspannungs-Modus auf schwerwiegende Durchbruchstellen in Solarzellen hinweist, die zur Zerstörung von Solarzellen und Modulen führen kann. Durch Vergleich von Defektlumineszenz- und Sperrvorspannungs-Elektrolumineszenz-Bildern ist ein Unterschied in der räumlichen Verteilung der Defekte, die D1 emittieren, und der Durchbruchlumineszenz unter Sperrvorspannung über -12 V erkennbar. Außerdem gibt es Hinweise auf einen Zusammenhang bei der Verteilung von nicht-dotierenden Verunreinigungen und der Lumineszenz. Hierzu wurden vertikale Scheiben zweier Siliziumblöcke mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie und Photolumineszenz untersucht. Eine Korrelation der Verteilung von interstitiellem Sauerstoff und den Band-zu-Band-Lumineszenz-Profilen konnte gefunden werden. Außerdem wird eine Korrelation zwischen dem D3/D4 Lumineszenzprofil und der Stickstoffverteilung in den Blöcken beobachtet. Schließlich wurde der Wachstumsprozeß, insbesondere der Übergang von amorphem zu mikrokristallinem Silizium mittels PECVD, durch Kombination der Photolumineszenz- und Raman-Methoden untersucht. Bildung von Silizium-Nanokörnern wurde mittels Photolumineszenz- und Raman-Spektroskopie detektiert. KW - Silicon KW - Defects KW - Photoluminescence KW - Luminescence imaging KW - Silicon thin films KW - Silizium KW - Defekte KW - Photolumineszenz KW - Lumineszenz-Imaging KW - Silizium-Dünnfilme KW - Silicium KW - Dünnschichttechnik KW - Solarzelle KW - Fehleranalyse Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-35196 ER - TY - THES A1 - Costache, Florenta T1 - Dynamics of ultra-short laser pulse interaction with solids at the origin of nanoscale surface modification T1 - Die Dynamik der Wechselwirkung ultrakurzer Laserpulse mit Festkörpern als Ursache von nanoskaliger Oberflächenmodifikation N2 - This thesis addresses fundamental physical processes which take place at the surface region of a target during and after the interaction with ultra-short laser pulses. The general goal is to bring together different phenomena and discuss the non-equilibrium nature of the interaction of femtosecond laser pulses (tp < 100 fs) with various materials, in particular dielectrics and semiconductors. Different experiments, using various techniques, are designed to explore the basic mechanisms of laser ionization, defect creation, electron-lattice energetic transfer, charged particles desorption, optical breakdown, phase transformations and surface morphological changes. Such processes are shown to depend strongly on the laser intensity. Thus, they are analyzed for intensities over four orders of magnitude (10^11-10^14 W/cm2), around the surface optical breakdown (damage) threshold intensity. First, experimental studies using time-of-flight mass spectrometry indicate that non-resonant intense ultra-short laser pulses can efficiently ionize a dielectric (semiconducting) material leading to emission of electrons as well as charged particles, i.e. atomic ions and large clusters, and neutral particles. Under these irradiation conditions, the ionization processes can be at best described by multiphoton ionization and ionization at defects sites. The structural defects provide the means for an increased positive ion desorption rate. A multiple pulse incubation effect in the ion yield can be well related with the reduction of the multi-pulse damage threshold with increasing intensity. Following the initial electron excitation and emission, positive ions are released from the surface in a substantial amount with high ion velocities indicative of a localized microscopic electrostatic expulsion. With increasing intensity, the amount of ions gets larger and larger and their velocity distribution exhibits a bimodal structure. Also, in these conditions, negative ions are detected. The ion desorption can arise from a combination of a localized electrostatic repulsion (macroscopic Coulomb explosion) and a thermal ‘explosive’ mechanism. The later becomes more important with increasing intensity. The very fast energy input and particle emission result in a transient perturbation and deformation of the target lattice. Using pump-probe experiments the temporal evolution of lattice dynamics can be analyzed upon single-pulse excitation for many different target materials. This deformation is indicated to be a material characteristic. It is associated with the generation of transient defects in dielectrics or fast phase transitions in semiconductors and metals. Therefore, it could well give estimates of lifetime of transient defect states or electron-phonon relaxation times.At last the surface morphology after ablation is analyzed, with emphasis on the laser-induced surface periodic patterns (ripples). The patterns observed appear to be very different from the ‘classical’ ripples formed after long pulse ablation. They can have periods much smaller than the incident wavelength and are rather insensitive to the variation of the laser wavelength and angle of incidence. We show that control factors are laser beam polarization and the irradiation dose. Additionally, the patterns exhibit features pointing toward a chaotic origin. Their possible formation mechanism is likely linked with the non-equilibrium nature of the interaction. N2 - Diese Dissertation befasst sich mit den grundlegenden physikalischen Prozessen, die im Oberflächenbereich eines Materials während und nach der Wechselwirkung mit ultra-kurzen Laser Pulsen stattfinden. Es ist das wesentliche Ziel der Arbeit unterschiedliche Phänomene zu vereinen und zu zeigen, dass die Wechselwirkung von Femtosekunden-Laserpulsen (tp < 100 fs) mit unterschiedlichen Materialien, insbesondere Dielektrika und Halbleiter, fern vom thermischen Gleichgewicht stattfindet. Verschiedene Experimente, die unterschiedliche Techniken nutzen, werden entwickelt um die grundlegenden Mechanismen für Laserionisation, Defekterzeugung, Elektron-Gitter Energieaustausch, die Desorption von geladenen Teilchen, den optischen Durchbruch, Phasen-Transformationen und Änderungen der Oberflächenmorphologie zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass solche Prozesse sehr stark von der Laserintensität abhängen. Daher werden sie in einem Intensitätsbereich von vier Größenordnungen (10^11-10^14 W/cm2) um die Schwelle für den optischen Durchbruch an der Oberfläche (Zerstörungsschwelle) studiert. Experimente mit Flugzeit-Massenspektrometrie zeigen, dass nichtresonante, intensive ultra-kurze Laserpulse ein Dielektrikum (Halbleiter) sehr effizient ionisieren können. Neben Elektronen werden auch schwere geladene Teilchen emittiert, d.h. atomare Ionen und große Clusterionen, sowie Neutralteilchen. Der Ionisationsprozess kann hier am besten beschrieben werden als Mehrphotonen-Ionisation und Ionisation von Defekten. Strukturdefekte bewerken eine erhöhte Desorption von positiven Ionen. Daher gibt es einen Effekt der Multi-Puls Inkubation für die Ionenausbeute, der auf einer Reduzierung der Zerstörungsschwelle beruht und stark von der Intensität abhängt. Als Folge der Anregung und Emission von Elektronen verlassen positive Ionen in beträchtlicher Zahl mit hoher Geschwindigkeit der Oberfläche. Dies deutet auf eine lokale mikroskopische elektrostatische Abstoßung hin. Mit zunehmender Intensität wächst die Zahl der Ionen stark an, und ihre Geschwindigkeits-Verteilung entwickelt eine bimodale Struktur. Jetzt können auch negative Ionen nachgewiesen werden. Die Ionen-Desorption kann hier auf einer Kombination von einer lokalen elektrostatischen Abstoßung (Coulomb Explosion) und einem thermischen Explosions-Mechanismus beruhen. Dieser wird mit wachsender Intensität zunehmend wichtiger. Da der Energie-Eintrag und die Teilchen-Emission sehr schnell erfolgen, entsteht eine transiente Störung und Deformation des Gitters der Probe. Mit Pump-Probe Experimenten kann die zeitliche Entwicklung der Gitterdynamik nach Einzelpuls-Anregung für viele unterschiedliche Materialien untersucht werden. Die Gitterdeformation ist offensichtlich Material-spezifisch. Sie ist verknüpft mit der Erzeugung von transienten Defekten in Dielektrika oder schnellen Phasenübergängen in Halbleitern und Metallen. Daher können solche Experimente eine gute Abschätzung liefern für die Lebensdauer von transienten Defektzuständen oder für Elektron-Phonon-Relaxationszeiten. Schließlich wird die Oberflächenmorphologie der Probe nach der Ablation studiert, insbesondere werden Laser-Induzierte Periodische Strukturen (Ripples) beobachtet, die offensichtlich sehr verschieden sind von ‚klassischen’ Ripples nach der Ablation mit langen Pulsen. Ihre Periodizität ist viel kleiner als die einfallende Wellenlänge, und es wird kein großer Einfluss von Wellenlänge und Einfallswinkel beobachtet. Wir zeigen, dass eher Laserpolarisation und Bestrahlungsdosis wichtig sind. Außerdem zeigen die Muster Eigenschaften, die auf eine Selbstorganisation hindeuten. KW - Ultrakurzer Lichtimpuls KW - Nanostruktur KW - Oberflächenstruktur KW - Ultra-kurze Laser Pulse KW - Flugzeit-Massenspektrometrie KW - Teilchen-Emission KW - Ultraschnelle Gitterdynamik KW - Ripples KW - Femtosecond laser pulses KW - Time-of-Flight mass spectrometry KW - Particle emission kinetics KW - Ultrafast lattice dynamics KW - Ripples Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-3674 SN - 978-3-8322-6465-9 ER - TY - THES A1 - Zwierz, Radoslaw T1 - Plasma enhanced growth of GaN single crystalline layers from vapour phase T1 - Plasmaunterstützte Züchtung von einkristallinen GaN-Schichten aus der Gasphase N2 - Gallium nitride (GaN) is a III-V semiconductor, characterized by direct, wide band gap of 3.4 eV at RT. As a material of particular interest for opto- and power electronics applications, it has been thoroughly studied in recent years. Utilization of GaN homoepitaxy in manufacturing of laser diodes (LDs), light-emitting diodes (LEDs), power devices, etc. would be beneficial in terms of reducing defect density, thus improving their lifetime and performance. Yet cost-effective process for providing native GaN substrates has not been established so far. The focus of this work is put on development of a new method to grow single crystalline GaN layers from Ga vapour. Our approach exploits microwave (MW) plasma as a source of excited nitrogen species, in contrast to classical physical vapour transport (PVT)-based technique, in which ammonia (NH3) serves as a source of reactive nitrogen. Novelty of MW plasma enhanced growth of GaN from vapour lies in MW nitrogen plasma formation in the vicinity of the seed, at moderate pressure (200 – 800 mbar range), and concurrent physical vapour transport of Ga to the growth zone. Simulations of the growth setup (HEpiGaN software) and of the MW plasma source (CST Microwave software) have followed the extensive investigations of material properties. The growth setup and the MW plasma source, with the resonance cavity being its crucial part, have been constructed and implemented into the existing growth reactor. The stability of MW plasma in function of temperature and pressure has been studied along with its influence on the seed temperature, and thus on the growth conditions. Furthermore, optical emission spectroscopy (OES) has been utilized for in-situ characterization of the growth atmosphere. Studies on the interaction of Ga vapour with the nitrogen discharge were interpreted on the basis of the level structure of lower excited states of Ga. Deposition experiments have been conducted, using sapphire seeds, GaN, AlN and AlGaN templates, while GaN single crystalline layers have been grown on sapphire and GaN templates. Characterization of GaN layers have been done by various methods, i.e. structure of layers by scanning electron microscopy (SEM), their composition by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and secondary ion mass spectrometry (SIMS), and crystal quality by high resolution X-ray diffraction (HRXRD). Results of the characterization together with outcome of OES measurements revealed importance of carbon for the sub-atmospheric MW plasma enhanced growth of GaN from vapour. In addition, this fact was confirmed by experiments in the setup with reduced carbon content. Possible routes for GaN synthesis have been discussed, with the most probable being CN-assisted GaN formation. While CN was detected in the plasma spectra, there was no evidence for the existence of GaN molecules in vapour phase. N2 - Galliumnitrid (GaN) ist ein III-V-Halbleiter, der durch seine direkte, breite Bandlücke von 3.4 eV bei Raumtemperatur gekennzeichnet ist. Als Material von besonderem Interesse für Anwendungen in der Opto- und Leistungselektronik, wurde es in den letzten Jahren umfangreich untersucht. Die Verwendung der GaN-Homoepitaxie in der Herstellung von Laserdioden (LDs), Leuchtdioden (LEDs), Leistungsbauelementen etc. wäre günstig bezüglich der Verringerung die Defektdichte, um ihre Lebensdauer und Leistung zu verbessern. Ein kostengünstiges Verfahren zur Bereitstellung von GaN-Eigensubstraten wurde jedoch bisher nicht etabliert. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Züchtungsmethode um einkristalline GaN-Schichten herzustellen. Unsere Vorgehensweise nutzt Mikrowellen (MW)-Plasma als Quelle angeregter Stickstoff-Spezies, im Gegensatz zu dem klassischen physikalischen Gasphasentransport (PVT) basierten Verfahren, in dem Ammoniak (NH3) als Quelle für reaktiven Stickstoff dient. Die Neuheit des MW-Plasmas gestützten Wachstums von GaN aus Gallium(Ga)-Dampf liegt in der MW-Plasmaerzeugung in der Nähe des Keims bei mittlerem Druck (200 - 800 mbar) und gleichzeitigen physikalischen Transport von Ga-Dampf in die Wachstumszone. Den Simulationen des Aufbaus (HEpiGaN Software) und der MW-Plasmaquelle (CST Microwave Software) folgten die umfangreichen Untersuchungen der Materialeigenschaften. Der Aufbau und die MW-Plasmaquelle, die als wesentliche Komponente den Hohlraumresonator enthält, wurden konstruiert und in den vorhandenen Wachstumsreaktor implementiert. Die Stabilität des MW-Plasmas als Funktion von Temperatur und Druck wurde zugleich mit ihrem Einfluss auf die Keimtemperatur und damit auf die Wachstumsbedingungen untersucht. Außerdem wurde die Optische Emissionsspektrometrie (OES) zur in-situ Charakterisierung der Wachstums-Atmosphäre verwendet. Die Wechselwirkung des Ga-Dampfes mit der Stickstoffentladung wurde auf der Basis der Energieniveau-Struktur der unteren angeregten Ga-Zustände interpretiert. Die Abscheidungs-Experimente wurden unter Verwendung von Saphir-Keimsubstraten, GaN- , AlN- und AlGaN–Templates durchgeführt. Die GaN-Schichten wurden auf Saphir-Keimsubstraten und auf GaN-Templates gewachsen und mit verschiedenen Methoden charakterisiert: die Struktur mit der Rasterelektronenmikroskopie (SEM), die Zusammensetzung mit der Energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) und der Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) und die Kristallqualität mit der hochauflösenden Röntgenstrukturanalyse (HRXRD). Die Ergebnisse der Charakterisierung zeigten zusammen mit den Resultaten der OES-Messungen die Bedeutung von Kohlenstoff für das MW-Plasma gestützte, subatmosphärische Wachstum von GaN aus der Gasphase. Zusätzlich wurden sie durch die Experimente im Aufbau mit reduziertem Kohlenstoffgehalt bestätigt. Mögliche Wege der GaN-Synthese wurden diskutiert, wobei die CN-unterstützte GaN-Bildung der wahrscheinlichste ist. Während CN in den Plasmaspektren nachgewiesen wurde, gab es keine Beweise für die Existenz von GaN-Molekülen in der Dampfphase. KW - GaN KW - Vapour growth KW - Microwave plasma KW - Züchtung aus der Gasphase KW - Plasma KW - Galliumnitrid KW - Gasphase KW - Plasma Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-30710 ER - TY - JOUR A1 - Han, Weijia A1 - Reiter, Sebastian A1 - Schlipf, Jon A1 - Mai, Christian A1 - Spirito, Davide A1 - Jose, Josmy A1 - Wenger, Christian A1 - Fischer, Inga A. T1 - Strongly enhanced sensitivities of CMOS compatible plasmonic titanium nitride nanohole arrays for refractive index sensing under oblique incidence T1 - Stark verbesserte Empfindlichkeit von CMOS-kompatiblen plasmonischen Titannitrid-Nanoloch-Arrays für die Brechungsindex-Messungen unter nicht-senkrechtem Lichteinfall JF - Optics Express N2 - Titanium nitride (TiN) is a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) compatible material with large potential for the fabrication of plasmonic structures suited for device integration. However, the comparatively large optical losses can be detrimental for application. This work reports a CMOS compatible TiN nanohole array (NHA) on top of a multilayer stack for potential use in integrated refractive index sensing with high sensitivities at wavelengths between 800 and 1500 nm. The stack, consisting of the TiN NHA on a silicon dioxide (SiO2) layer with Si as substrate (TiN NHA/SiO2/Si), is prepared using an industrial CMOS compatible process. The TiN NHA/SiO2/Si shows Fano resonances in reflectance spectra under oblique excitation, which are well reproduced by simulation using both finite difference time domain (FDTD) and rigorous coupled-wave analysis (RCWA) methods. The sensitivities derived from spectroscopic characterizations increase with the increasing incident angle and match well with the simulated sensitivities. Our systematic simulation-based investigation of the sensitivity of the TiN NHA/SiO2/Si stack under varied conditions reveals that very large sensitivities up to 2305 nm per refractive index unit (nm RIU−1) are predicted when the refractive index of superstrate is similar to that of the SiO2 layer. We analyze in detail how the interplay between plasmonic and photonic resonances such as surface plasmon polaritons (SPPs), localized surface plasmon resonances (LSPRs), Rayleigh Anomalies (RAs), and photonic microcavity modes (Fabry-Pérot resonances) contributes to this result. This work not only reveals the tunability of TiN nanostructures for plasmonic applications but also paves the way to explore efficient devices for sensing in broad conditions. N2 - Titannitrid (TiN) ist ein CMOS-kompatibles Material mit großem Potenzial für die Herstellung plasmonischer Strukturen, die sich für die Bauelementintegration eignen. Die vergleichsweise großen optischen Verluste können sich jedoch nachteilig auf die Anwendung auswirken. In dieser Arbeit wird ein CMOS-kompatibles TiN-Nanoloch-Array (NHA) auf einem Mehrschichtstapel vorgestellt, das für die integrierte Brechungsindexmessung mit hoher Empfindlichkeit bei Wellenlängen zwischen 800 und 1500 nm eingesetzt werden kann. Der Stapel, bestehend aus dem TiN NHA auf einer Siliziumdioxid (SiO2)-Schicht mit Si als Substrat (TiN NHA/SiO2/Si), wurde in einem industriellen CMOS-kompatiblen Prozess hergestellt. Das TiN NHA/SiO2/Si zeigt Fano-Resonanzen in den Reflexionsspektren bei schrägem Einfallswinkel, die durch Simulationen sowohl mit Finite-Differenzen-Zeitbereichsmethoden (FDTD) als auch Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) gut reproduziert werden. Die aus den spektroskopischen Charakterisierungen abgeleiteten Empfindlichkeiten nehmen mit zunehmendem Einfallswinkel zu und stimmen gut mit den simulierten Empfindlichkeiten überein. Unsere systematische simulationsbasierte Untersuchung der Empfindlichkeit des TiN NHA/SiO2/Si-Stapels unter verschiedenen Bedingungen zeigt, dass sehr große Empfindlichkeiten bis zu 2305 nm RIU-1 vorhergesagt werden, wenn der Brechungsindex des Dielektrikums oberhalb des NHAs ähnlich dem der SiO2-Schicht ist. Wir analysieren im Detail, wie das Zusammenspiel zwischen plasmonischen und photonischen Resonanzen wie Oberflächenplasmonpolaritonen (SPPs), lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanzen (LSPRs), Rayleigh-Anomalien (RAs) und photonischen Mikrokavitätsmoden (Fabry-Pérot-Resonanzen) zu diesem Ergebnis beiträgt. Diese Arbeit zeigt nicht nur die Abstimmbarkeit von TiN-Nanostrukturen für plasmonische Anwendungen, sondern ebnet auch den Weg für die Erforschung effizienter Geräte für die Erkennung unter verschiedensten Bedingungen. KW - TiN KW - Plasmonics KW - Plasmonik KW - Plasmonik KW - Photonik KW - Titannitrid KW - Plasmonics KW - Photonics Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1364/OE.481993 SN - 1094-4087 VL - 31 IS - 11 SP - 17389 EP - 17407 PB - Optica Publishing Group CY - Washington, DC ER - TY - JOUR A1 - Oleynik, Paul A1 - Ryzhak, Diana A1 - Schlipf, Jon A1 - Alvarado Chavarin, Carlos A1 - Yamamoto, Yuji A1 - Berkmann, Fritz A1 - Ratzke, Markus A1 - Fischer, Inga Anita T1 - Influence of illumination conditions on photoluminescence enhancement in an Al/Si/Ge metasurface JF - Optics Express N2 - Strong field enhancement supported by metasurfaces at resonance can be used to control and enhance the spontaneous emission rate of emitters. This is particularly relevant for emitters with comparatively low quantum yield such as germanium. Here, we investigate the µ-photoluminescence response obtained from a hybrid metasurface comprising a square lattice of Al/Si/Ge pillars. We explore how variations in excitation energy, excitation intensity and number of excited meta-atoms affect the spectral dependence of the photoluminescence signal and, in particular, the contribution of the metasurface to it. Our metasurface exhibits a magnetic dipole collective lattice resonance, whose contribution to the photoluminescence signal increases with increasing number of excited meta-atoms. Measuring only one metasurface under different illumination conditions can potentially be an alternative approach to probe the transition between finite-size effects and collective effects. KW - Field enhancement KW - Germanium KW - Light emitting diodes KW - Photonic crystals KW - Quantum light sources KW - Scanning electron microscop Y1 - 2025 U6 - https://doi.org/10.1364/OE.577751 SN - 1094-4087 VL - 34 IS - 1 SP - 78 EP - 86 PB - Optica Publishing Group CY - Washington D.C. ER - TY - JOUR A1 - Sengül, Akant A1 - Reiter, Sebastian A1 - Lotfi, Zahra A1 - Efremenko, Julia A1 - Laroussi, Arwa A1 - Corley-Wiciak, Agnieszka Anna A1 - Ratzke, Markus A1 - Mirsky, Vladimir M. A1 - Wenger, Christian A1 - Fischer, Inga Anita T1 - Titanium nitride plasmonic nanohole arrays with polymer coating : optical properties and their humidity-induced modifications JF - Optical Materials Express N2 - The use of titanium nitride (TiN) for the fabrication of plasmonic structures such as nanohole arrays (NHAs) can enable their integration into optoelectronic devices on the silicon (Si) platform, for example, for the realization of on-chip chemical sensors and biosensors based on refractometric transduction. With a corresponding functionalization of the TiN nanohole arrays, these ultra-compact devices can be utilized in the development of various affinity sensors and sensor systems, such as cost-effective electronic noses for the early detection of gases in the food industry or agriculture. In this work, we focus on two types of coating for functionalization of TiN nanohole arrays: electrochemically synthesized poly-N-methylaniline and layer-by-layer deposited polyacrylic-acid/poly-allylamine (PAA/PAH). Our investigation comprises the experimental characterization of the optical properties of TiN nanhole arrays coated with polymer layers of different thicknesses as well as a comparison with simulation results. We demonstrate the potential of our setup sensing applications by measuring changes in optical properties of TiN nanohole arrays coated with PAA/PAH upon exposure to air of different humidity. KW - Chemical sensors KW - Extraordinary optical transmission KW - Localized surface plasmon resonance KW - Optical coatings KW - Optical properties KW - Refractive index Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-72739 SN - 2159-3930 VL - 16 IS - 2 SP - 184 EP - 196 PB - Optica Publishing Group CY - Washington D.C. ER -