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Two-dimensional (2D) topological insulators are a new class of materials with properties that are promising for potential future applications in quantum computers. For example, stanene represents a possible candidate for a topological insulator made of Sn atoms arranged in a hexagonal lattice. However, it has a relatively fragile low-energy spectrum and sensitive topology. Therefore, to experimentally realize stanene in the topologically non-trivial phase, a suitable substrate that accommodates stanene without compromising these topological properties must be found. A heterostructure consisting of a SiC substrate with a buffer layer of adsorbed group-III elements constitutes a possible solution for this problem. In this work, 2D adatom systems of Al and In were grown epitaxially on SiC(0001) and then investigated structurally and spectroscopically by scanning tunneling microscopy (STM) and photoelectron spectroscopy. Al films in the high coverage regime \( (\Theta_{ML}\approx2\) ML\( ) \) exhibit unusually large, triangular- and rectangular-shaped surface unit cells. Here, the low-energy electron diffraction (LEED) pattern is brought into accordance with the surface topography derived from STM. Another Al reconstruction, the quasi-one-dimensional (1D) Al phase, exhibits a striped surface corrugation, which could be the result of the strain imprinted by the overlayer-substrate lattice mismatch. It is suggested that Al atoms in different surface areas can occupy hexagonal close-packed and face-centered cubic lattice sites, respectively, which in turn lead to close-packed transition regions forming the stripe-like corrugations. On the basis of the well-known herringbone reconstruction from Au(111), a first structural model is proposed, which fits well to the structural data from STM. Ultimately, however, thermal treatments of the sample could not generate lower coverage phases, i.e. in particular, a buffer layer structure. Strong metallic signatures are found for In high coverage films \( (\Theta_{ML}\approx3\) to \(2\) ML\() \) by scanning tunneling spectroscopy (STS) and angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES), which form a \( (7\times7) \), \( (6\times4\sqrt{3}) \), and \( (4\sqrt{3}\times4\sqrt{3}) \) surface reconstruction. In all these In phases electrons follow the nearly-free electron model. Similar to the Al films, thermal treatments could not obtain the buffer layer system. Surprisingly, in the course of this investigation a triangular In lattice featuring a \( (1\times1) \) periodicity is observed to host massive Dirac-like bands at \( K/K^{\prime} \) in ARPES. Based on this strong electronic similarity with graphene at the Brillouin zone boundary, this new structure is referred to as \textit{indenene}. An extensive theoretical analysis uncovers the emergence of an electronic honeycomb network based on triangularly arranged In \textit{p} orbitals. Due to strong atomic spin-orbit coupling and a comparably small substrate-induced in-plane inversion symmetry breaking this material system is rendered topologically non-trivial. In indenene, the topology is intimately linked to a bulk observable, i.e., the energy-dependent charge accumulation sequence within the surface unit cell, which is experimentally exploited in STS to confirm the non-trivial topological character. The band gap at \( K/K^{\prime} \), a signature of massive Dirac fermions, is estimated by ARPES to approximately 125 meV. Further investigations by X-ray standing wave, STM, and LEED confirm the structural properties of indenene. Thus, this thesis presents the growth and characterization of the novel quantum spin Hall insulator material indenene., Zweidimensionale (2D) topologische Isolatoren sind eine neue Materialklasse mit vielversprechenden Eigenschaften für potenzielle zukünftige Anwendungen in Quantencomputern. Stanene stellt hier beispielsweise einen möglichen Kandidaten für einen topologischen Isolator dar. Diese 2D-Schicht besteht aus Sn-Atomen, angeordnet in einem hexagonalen Gitter. Allerdings weist dieses Gitter ein relativ fragiles Niederenergiespektrum und eine empfindliche Topologie auf. Um Stanene daher in der topologisch nicht-trivialen Phase experimentell realisieren zu können, muss ein geeignetes Substrat gefunden werden, das Stanene aufnehmen kann, ohne die topologischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Eine Heterostruktur aus einem SiC-Substrat mit einer Pufferschicht aus adsorbierten Gruppe-III Elementen stellt hier eine mögliche Lösung für dieses Problem dar. Im Hinblick darauf wurden für diese Arbeit 2D-Adatomsysteme aus Al und In epitaktisch auf SiC(0001) gewachsen und mittels Rastertunnelmikroskopie (engl.: scanning tunneling microscopy, STM) und Photoelektronenspektroskopie strukturell und spektroskopisch untersucht. Al-Schichten mit hoher Bedeckung \( (\Theta_{ML}\approx2\) ML\( ) \) weisen ungewöhnlich große, dreieckig und rechteckig geformte Oberflächeneinheitszellen auf. Hierbei wird das Beugungsmuster der niederenergetischen Elektronenbeugung (engl.: low-energy electron diffraction, LEED) mit der aus STM abgeleiteten Oberflächentopographie in Einklang gebracht. Eine andere Al-Rekonstruktion, die quasi-eindimensionale (1D) Al-Phase, zeigt eine gestreifte Oberflächenkorrugation, die ein Ergebnis der Verspannung durch die Fehlanpassung des Al-Gitters auf dem Substratgitter sein könnte. Es wird vorgeschlagen, dass Al-Atome in verschiedenen Oberflächenbereichen sowohl jeweils hexagonal-dichtgepackte als auch kubisch flächenzentrierte Gitterplätze einnehmen können. In Übergangsregionen zwischen beiden Bereichen erzeugt dies dicht gepackte Al-Atome, die wiederum die streifenartigen Korrugationen hervorrufen. Auf der Basis der bekannten Fischgrätenrekonstruktion von Au(111) wird ein erstes Strukturmodell vorgeschlagen, das gut mit strukturellen STM-Daten übereinstimmt. Letztendlich konnten jedoch durch thermische Behandlungen der Probe keine Phasen mit geringerer Bedeckung, das heißt insbesondere die Pufferschichtstruktur, erzeugt werden. In-Hochbedeckungsphasen \( (\Theta_{ML}\approx3\) to \(2\) ML\() \) weisen ein ausgeprägtes metallisches Verhalten auf in der Rastertunnelspektroskopie (engl.: scanning tunneling spectroscopy, STS) und winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie (engl.: angle-resolved photoelectron spectroscopy, ARPES). Zudem bilden diese Phasen eine \( (7\times7) \), \( (6\times4\sqrt{3}) \), and \( (4\sqrt{3}\times4\sqrt{3}) \)-Oberflächenrekonstruktion aus. In all diesen Phasen folgen die Elektronen dem Modell der quasifreien Elektronen. Ähnlich zu den Al-Filmen konnte auch hier nach thermischen Behandlungen der Probe keine Pufferschichtstruktur erzeugt werden. Überraschenderweise tritt im Laufe dieser Untersuchung ein Dreiecksgitter aus In-Atomen mit einer \( (1\times1) \)-Periodizität auf, das bei \( K/K^{\prime} \) massive Dirac-artige Bänder in ARPES zeigt. Aufgrund der starken Ähnlichkeit mit der Graphene-Bandstruktur am Brillouinzonenrand, wird dieses neuartige Materialsystem \textit{Indenene} benannt. Eine umfangreiche theoretische Untersuchung legt die Entstehung eines elektronischen Honigwabennetzwerks offen, dass sich aufgrund von dreieckig angeordneten In \textit{p}-Orbitalen bildet. Durch starke atomare Spin-Bahn-Wechselwirkung und einen vergleichsweisen schwachen substratinduzierten Inversionssymmetriebruch in der Ebene, ist dieses Materialsystem topologisch nicht-trivial. In Indenene ist die Topologie eng mit einer Volumenobservablen, genauer die energieabhängige Ladungsakkumulationsequenz innerhalb der Oberflächeneinheitszelle, verknüpft. Diese Sequenz wird mittels STS experimentell ausgenutzt, um den topologisch nicht-trivialen Charakter zu bestätigen. Die Bandlücke bei \( K/K^{\prime} \), charakteristisch für massive Dirac-Fermionen, wird mittels ARPES auf ungefähr 125 meV abgeschätzt. Weitere Untersuchungen basierend auf stehenden Röntgenwellen, STM, und LEED bestätigen die strukturellen Eigenschaften von Indenene. Dementsprechend wird in dieser Arbeit dasWachstum und auch die Charakterisierung des neuartigen Quanten Spin Hall Isolators Indenene vorgestellt.

Ziel dieser Arbeit war es, eine Korrelation der Siliciumcarbid (SiC) Materialqualität mit Ausfallmechanismen leistungselektronischer 4H-SiC Trench-MOSFET Bauelemente herzustellen. Dafür wurden homo-epitaktische, n-leitende SiC-Schichten abgeschieden. Diese Schichten wurden anschließend mit konfokaler DIC-Mikroskopie und UV-PL Methoden hinsichtlich ihrer Defekte charakterisiert. Die so charakterisierten Epitaxie-Wafer wurden zur Herstellung von leistungselektronischen Trench-MOSFET Bauelementen verwendet. Nach der Prozessierung wurden die Bauelemente elektrisch charakterisiert. Elektrische Ausbeute-Maps wurden anschließend mit den während der Prozessierung aufgenommenen Defektdaten überlagert und mit entsprechenden Defektklassen abgeglichen. Abschließende Untersuchungen an diesen charakterisierten Bauelementen dienten zur Analyse der Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit., The purpose of this work was to establish a correlation between the material defects in Silicon Carbide (SiC) and failure modes of high-voltage and high-power 4H-SiC semiconductor trench-MOSFET devices. N-type SiC homoepitaxial layers were grown to be able to investigate epilayers in addition to the substrates. These layers were analysed for their surface and crystallographic defects. The method of characterisation was utilizing confocal as well as differential interference contrast (DIC) optics for surface inspection and ultra-violet photoluminescence (UV-PL) imaging. The defect-characterized epitaxial wafers were then used to manufacture trench-MOSFET devices. All finished devices were electrically tested. The electrical yield received through this method was then overlayed with the defect data previously measured during processing. Finally, those extensively investigated devices were used for reliability tests., FAU Studien aus der Elektrotechnik; 18

Zugleich: Universität Kassel, Dissertation, 2020

Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2021

In this work the creation of silicon vacancy spin defects in silicon carbide with predictable properties is demonstrated. Neutron and electron irradiation was used to create silicon vacancy ensembles and proton beam writing to create isolated vacancies at a desired position. The coherence properties of the created silicon vacancies as a function of the emitter density were investigated and a power-law function established. Sample annealing was implemented to increase the coherence properties of existing silicon vacancies. Further, spectral hole burning was used to implement absolute dc-magnetometry., In dieser Arbeit wird die Erzeugung von Silizium Fehlstellen in Siliziumkarbid mit vorhersagbaren Eigenschaften nachgewiesen. Neutronen- und Elektronenbestrahlung wurden zur Erzeugung von Ensembles von Silizium Fehlstellen verwendet, während isolierte Fehlstellen an einer gewünschten Position mit Hilfe eines Protonenstrahls erzeugt wurden. Die Kohärenz der erzeugten Silizium Fehlstellen wurde in Abhängigkeit der Emitterdichte untersucht und eine Gesetzmäßigkeit hierfür eingeführt. Um die Kohärenz der Silizium Fehlstellen zu erhöhen, wurden Annealing Experimente durchgeführt. Des Weiteren wurde spektrales Holeburning verwendet, um absolute DC-Magnetometrie nachzuweisen.

High-level radioactive waste (HLW) poses threat to the biosphere. Geological disposal is accepted as a safe way for HLW disposal. Waste canisters made of Sintered Silicon Carbide (SSiC) are proposed and geomechanical safety aspects relating to such SSiC canisters are investigated. First part of the thesis reviews the state-of-the-art and demands for HLW disposal. The reason for considering Silicon Carbide (SiC) as canister material is explained. Especially in terms of corrosion and lifetime, ceramics and especially SiC is superior to metals or concrete. The only concern is its brittle behavior. The second part of the thesis presents results on static and dynamic mechanical properties of SiC in general and in particular for SSiC based on literature review and own lab tests. Although strength values for SiC and especially SSiC are very high, the extreme brittle behavior has to be considered in case of impact or point-like loading. The third and most extensive part of the thesis part contains numerical simulations, which consider most critical potential loading situations during transport and installation of the canisters underground. Both, pure elastic continuum and DEM based models are used considering the following loading situations (critical scenarios): Freefall of canister during transport or installation (FF), Impact by falling rock block at disposal site (RF), Point loading due to accidental insertion of small stone below the canister (PL), Anisotropic earth pressure loading after disposal (EP). Coating to protect the canisters against damage is investigated and preliminary parameters in terms of stiffness and thickness are recommended.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die tribologischen Eigenschaften von selbstgepaartem Siliciumcarbid (SSiC) und Siliciumnitrid (Si₃N₄) unter dem Einfluss verschiedener Atmosphären (feuchte Luft, trockene Luft und trockener Stickstoff) charakterisiert, wobei die Wirkflächen der Keramiken zu jeder Zeit der Experimente durch Einsatz eines Tauchbades vollständig von Isooctan bedeckt waren. Die Versuche wurden allesamt in einer konformen Pellet Platte Konfiguration (Kontaktfläche nominell: ⌀ 9,5 mm) durchgeführt und es wurden eine reversierende Gleitbewegung mit Hublänge s = 5 mm, Hubfrequenzen von f = 2,5 bis 20 Hz und eine Normalkraft von Fₙ = 200 N gewählt. Die Ergebnisse zeigen, dass die chemischen Einflüsse aus der Umgebung trotz des Tauchbades signifikante Effekte auf das Reibungs- und Verschleißverhalten der beiden keramischen Werkstoffe haben. Im Falle des SSiC führte eine Atmosphäre aus feuchter Luft zu unruhigen Reibzahlverläufen mit kurzzeitigen Reibzahlüberhöhungen und generell höheren Reibwerten als in trockener Luft oder Stickstoffatmosphäre. Für Si₃N₄ äußerte sich der Einfluss überwiegend in veränderten Verschleißbeträgen und entstehenden Oberflächentopographien, hierbei führte Feuchtigkeit zur Bildung inselartiger, sauerstoffreicher Bereiche auf den Kontaktflächen. Durch den Einsatz kleinster Mengen einer grenzflächenaktiven Substanz (AOT) konnten Reib- und Verschleißverhalten beider Keramiken auf ein näherungsweise einheitliches Niveau gebracht werden. Zudem konnte nachgewiesen werden, dass für selbstgepaartes SSiC in Kombination mit Isooctan ein Übergang des Tribosystems in die flüssige Supraschmierfähigkeit mit Reibwerten von µ

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Möglichkeiten zur Realisierung von Hochfrequenzwechselrichtern mit Ausgangsleistungen über 10 kW bei 2,50 MHz untersucht. Hierzu wurden zwei Ansätze mit unterschiedlichen SiC-Transistoren betrachtet. Zum einen wurde ein Generator mit einer Ausgangsleistung von 25 kW realisiert. Dieser basierte auf speziell für diese Anwendung entworfenen Halbbrückenmodulen und es konnte einen maximale Effizienz von 94,9% erreicht werden. Alternativ wurde eine Kaskadenschaltung aus kompakten 2,5 kW-Generatoren aufgebaut. Dabei wurden die kleineren Generatoren aus Standardbauteilen aufgebaut und erreichten einzeln einen Effizienz von 93,9%. In der Kaskadenschaltung aus vier 2,5 kW-Generatoren konnte einen Gesamteffizienz von 92,7% erreicht werden.

Graphen ist eine einatomar dünne Schicht von Kohlenstoffatomen mit besonderen elektronischen Eigenschaften. Epitaktisches Wachstum von Graphen auf der Silizium-terminierten Oberfläche von Siliziumkarbid (SiC) wird weithin als eine der geeignetsten Methoden zur Herstellung von großflächigem Graphen für elektronische Anwendungen angesehen. In dieser Arbeit werden verschiedene Dotierungsmechanismen von Graphen auf SiC theoretisch beschrieben und experimentell untersucht. Auf der Silizium-terminierten SiC-Oberfläche gewachsenes Graphen besitzt einen Überschuss an Elektronen (n-Dotierung). Wird die SiC/Graphen-Grenzfläche mit Wasserstoff passiviert und das Graphen vom Substrat entkoppelt, liegt dagegen Löcherleitung vor (p-Dotierung). Die p-Dotierung von quasifreistehendem Graphen (QFG) auf hexagonalem SiC wird durch die spontane Polarisation des Substrats erklärt. Dieser Mechanismus basiert auf einer Volumeneigenschaft von SiC, die bei jeden hexagonalem Polytyp des Materials vorhanden und unabhängig von Einzelheiten der Grenzflächenbildung ist. Die n-Dotierung des epitaktischen Graphens (EG) wird durch Grenzflächenzustände erklärt, die die Polarisationsdotierung überkompensieren. Die Austrittsarbeit und elektronische Struktur von EG sowie QFG werden ebenfalls untersucht. Es wird beobachtet, dass die Austrittsarbeit gegen den Wert von Graphit konvergiert, wenn die Anzahl der Graphenschichten erhöht wird. Außerdem, Messungen der Oberflächenphotospannung werden im Zusammenhang mit verschiedenen Rekombinationsraten an der Grenzfläche von EG und QFG diskutiert.

eingereicht von: Holger-Dietrich Saßnick Literaturverzeichnis: Seite 46-50 Paris-Lodron-Universität Salzburg, Masterarbeit, 2018 (VLID)4959038

Die experimentelle Verbesserung der makroskopischen Eigenschaften (z. B. thermische oder mechanische Eigenschaften) von Keramiken ist aufgrund der zahlreichen erforderlichen Experimente zeitaufwändig und kostenintensiv. Simulationen hingegen können die Korrelation von Mikrostruktur und makroskopischen Eigenschaften nutzen, um die Eigenschaften von beliebigen Gefügekompositionen zu berechnen. In bisherigen Simulationen wurden meist stark vereinfachte Modelle herangezogen, welche die Mikrostruktur einer Keramik nur sehr grob widerspiegeln und deshalb keine zuverlässigen Ergebnisse liefern. In der vorliegenden Arbeit wird die Mikrostruktur-Eigenschafts-Korrelation der drei wichtigsten Nicht-Oxid-Keramiken untersucht. Dies sind Aluminiumnitrid (AlN), Siliciumnitrid (Si3N4) und Siliciumcarbid (SiC). Diese drei Keramiktypen vertreten die häufigsten Mikrostrukturtypen, welche bei Nicht-Oxid-Keramiken auftreten können. Zu jedem Keramiktyp liegen zwei verschiedene Proben vor. Alle drei untersuchten Keramiktypen sind zweiphasig. Die Hauptphase von AlN und Si3N4 besteht aus keramischen Körnern, die Nebenphase erstarrt während der Sinterung aus den zugesetzten Sinteradditiven. Die Restporosität von AlN und Si3N4 wird als vernachlässigbar angesehen und in den Simulationen nicht berücksichtigt. Bei den SiC-Proben handelt es sich um Keramiken mit bimodaler Korngröÿenverteilung. Durch Infiltration mit flüssigem Silicium wurden die Hohlräume zwischen den Körnern aufgefüllt, um porenfreie SiSiC-Proben zu erhalten. Anhand von Simulationen werden zunächst reale Mikrostrukturen in Anlehnung an vorliegende Vergleichsproben nachgebildet. Diese Modelle werden durch Abgleich mit rasterelektronenmikroskopischen 2D-Aufnahmen der Proben verifiziert. An den Modellen werden mit der Methode der Finite-Element-Simulation makroskopische Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Elastizitätsmodul und Poisson-Zahl) der Keramiken simuliert und mit experimentellen Messungen an den vorliegenden Proben abgeglichen. Der Vergleich der Mikrostruktur von den computergenerierten Gefügen und den vorliegenden Proben zeigt in der Mustererkennung durch das menschliche Auge und quantitativ in den Gefügeparametern eine gute Übereinstimmung. Für die makroskopischen Eigenschaften wird auf der Basis einer ausführlichen Literaturrecherche zu den Materialparametern der beteiligten Phasen eine gute Übereinstimmung zwischen den experimentell gemessenen und den simulierten Eigenschaften erreicht. Evtl. auftretende Abweichungen zwischen Experiment und Simulation können damit erklärt werden, dass die Proben Verunreinigungen enthalten, da aus der Literatur bekannt ist, dass Verunreinigungen eine Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit bewirken. Nachdem die Gültigkeit der Modelle verifiziert ist, wird der Einfluss von charakteristischen Mikrostrukturparametern und Phaseneigenschaften auf die Wärmeleitfähigkeit, den Elastizitätsmodul und die Poisson-Zahl der Keramiken untersucht. Hierzu werden die Mikrostrukturparameter von AlN und Si3N4 gezielt um die Parameter der vorliegenden Vergleichsproben variiert. Bei beiden Keramiktypen werden die Volumenanteile der beteiligten Phasen sowie die mittlere Sehnenlänge der keramischen Körner verändert. Bei den AlN-Keramiken wird zusätzlich der Dihedralwinkel variiert, welcher Auskunft über den Benetzungsgrad der Flüssigphase gibt; bei den Si3N4-Keramiken ist das Achsenverhältnis der langgezogenen Si3N4-Körner von Interesse und wird deshalb ebenfalls variiert. Es zeigt sich, dass die Aufteilung der Teilvolumina zwischen den zwei Phasen den größten Einfluss auf die Eigenschaften der Keramik hat, während die übrigen Mikrostrukturparameter nur eine untergeordnete Rolle spielen. Um die Qualität der Simulationen zu überprüfen, wird die Simulationsreihe an AlN mit unterschiedlicher Aufteilung der Volumina zwischen den beiden Phasen in Relation zu etablierten Modellen aus der Literatur (Mischungsregel und Modell nach Ondracek) gesetzt. Alle Simulationsergebnisse für die Wärmeleitfähigkeit und den Elastizitätsmodul liegen innerhalb der jeweils oberen und unteren Grenze beider Modelle. Es konnte also eine Verbesserung gegenüber den etablierten Modellen erzielt werden. An allen drei Keramiktypen wird der Einfluss der Materialeigenschaften der Haupt- und Nebenphase auf die makroskopischen Eigenschaften der Keramik untersucht. Hierfür werden die Wärmeleitfähigkeit, der Elastizitätsmodul und die Poisson-Zahl der Phasen getrennt voneinander über einen größeren Bereich variiert. Es stellt sich heraus, dass es vom Keramiktyp und dem Volumenanteil der Nebenphase abhängt, wie stark der Einfluss einer Komponenteneigenschaft auf die Eigenschaft der Keramik ist. Mit den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Simulationen wird der Einfluss von Mikrostrukturparametern und Phaseneigenschaften berechnet. Auf der Grundlage dieser Simulationen können die Architektur des Gefüges simuliert und die Eigenschaften von Keramiken für individuelle Anwendungen berechnet werden. Dies ist die Basis für die Produktion von maßgeschneiderten Keramiken. Zudem können mit den validierten Mikrostrukturmodellen die Eigenschaften von unbekannten Mischphasen ermittelt werden, was experimentell oft nicht möglich ist., Experimental improvement of macroscopic properties (e. g. thermal or mechanical properties) of ceramics require countless experiments and are therefore costly in terms of time and money. However, simulations use the correlation of microstructure and macroscopic properties to calculate properties of any microstructure. Until now, simulations usually use oversimplified models, which only roughly reproduce a ceramics' microstructure and therefore do not give reasonable results. In the paper on hand, the microstructure-property-correlation of the three most important non-oxide-ceramics (AlN, Si3N4, SiC) is analysed. These three types of ceramic represent the most important types of microstructures, which exist for nonoxidic ceramics. For each type of ceramic, two different samples are examined. All three ceramic types used are two-phase-ceramics. The primary phase of AlN and Si3N4 is built of the ceramic grains and the secondary phase solidifies from the added sinter additives. The remaining porosity of AlN and Si3N4 is regarded to be negligible and is therefore not considered in the simulations. The SiC-samples are ceramics with a bimodal grain size distribution. The spaces in between the grains are filled by infiltration with liquid silicon to get Si-SiC-samples free of pores. At first, by employing simulations, microstructures are generated, which are close to the samples' microstructures. These models are verified by comparing them with two-dimensional scanning electron micrographs. Macroscopic properties (thermal conductivity, Young's modulus, Poisson's Ratio) of the ceramics are calculated by finite element simulations and then compared to experimental measurements on the samples. Analyzing the microstructures of the computer-generated models and the samples shows good agreement in the pattern matching as well as quantitatively in the microstructures parameters. Also for the macroscopic properties good comparison between measured and simulated properties was reached, based on an elaborate literature research on material parameters of all phases involved. Occurring discrepancies between experiment and simulations are assumed to be due to impurities in the sample. From literature it is known that impurities lead to a decline in thermal conductivity. As the models are validated, the influence of characteristic microstructure parameters and material properties of the phases on the thermal conductivity, Young's modulus and Poisson's ratio of ceramics are analysed. Therefore some microstructure parameters of the models of AlN and Si3N4 are deviated from the parameters of the samples. For both ceramic types the volume fractions of both phases and the average chord length of the grains are varied. At the AlN models, the dihedral angle is varied as well, which provides information about the wetting behaviour of the secondary phase; at the Si3N4 models, the aspect ratio of the elongated Si3N4 grains are of importance and hence analysed. It turns out that the volume fractions of the phases have the most significant influence on the ceramics' properties, whereas the other microstructure parameters are less important. To check the quality of the simulations, the simulation data of AlN with different volume fractions is compared to established models from literature ("rule of mixture" and model according to Ondracek). All results from the simulations are within the upper and lower bounds of both models. In comparison with these models, an improvement was achieved. For all three ceramic types, the influence of the material properties of the main and the secondary phase on the ceramics' properties is investigated. Therefore, the phases' thermal conductivity, Young's modulus and Poisson's ratio are separately from each other varied over a large range. It turns out that the influence of a component's property on the property of the ceramic depends on the ceramic type and the volume fraction of the secondary phase. On models of all three ceramic types, the influence of the components' material properties on the macroscopic properties of the ceramic is analysed. Based on these simulations, the architecture of microstructures can be simulated and properties of random ceramics for individual purposes can by calculated. By this, it is possible to produce customised ceramics. Additionally, with the validated microstructure models, the properties of unknown mixed phases can be calculated, which is usually not possible in experiments.

Zur Bewertung des Verschleißes von abrasiven Suspensionen infolge des Bearbeitungsprozesses Strömungsschleifen wurden abrasive Medien nach unterschiedlich langen Beanspruchungszeiten analysiert. Mithilfe rheologischer und granulometrischer Charakterisierungsmethoden wurde nachgewiesen, dass Änderungen von Festigkeit und Zusammensetzung des Mediums sowie der Partikelform für die Verschlechterung der Effizienz des Bearbeitungsprozesses verantwortlich sind.

In the present work, the energetic structure and coherence properties of the silicon vacancy point defect in the technologically important material silicon carbide are extensively studied by the optically detected magnetic resonance (ODMR) technique in order to verify its high potential for various quantum applications. In the spin vacancy, unique attributes are arising from the C3v symmetry and the spin-3/2 state, which are not fully described by the standard Hamiltonian of the uniaxial model. Therefore, an advanced Hamiltonian, describing well the appearing phenomena is established and the relevant parameters are experimentally determined. Utilizing these new accomplishments, several quantum metrology techniques are proposed. First, a vector magnetometry scheme, utilizing the appearance of four ODMR lines, allows for simultaneous detection of the magnetic field strength and the tilting angle of the magnetic field from the symmetry axis of the crystal. The second magnetometry protocol utilizes the appearance of energetic level anticrossings (LAC) in the ground state (GS) energy levels. Relying only on the change in photoluminescence in the vicinity of this GSLACs, this all-optical method does not require any radio waves and hence provides a much easier operation with less error sources as for the common magnetometry schemes utilizing quantum points. A similar all-optical method is applied for temperature sensing, utilizing the thermal shift of the zero field splitting and consequently the anticrossing in the excited state (ES). Since the GSLACs show no dependence on temperature, the all-optical magnetometry and thermometry (utilizing the ESLACs) can be conducted subsequently on the same defect. In order to quantify the achievable sensitivity of quantum metrology, as well as to prove the potential of the Si-vacancy in SiC for quantum processing, the coherence properties are investigated by the pulsed ODMR technique. The spin-lattice relaxation time T1 and the spin-spin relaxation time T2 are thoroughly analyzed for their dependence on the external magnetic field and temperature. For actual sensing implementations, it is crucial to obtain the best signal-to-noise ratio without loss in coherence time. Therefore, the irradiation process, by which the defects are created in the crystal, plays a decisive role in the device performance. In the present work, samples irradiated with electrons or neutrons with different fluences and energies, producing different defect densities, are analyzed in regard to their T1 and T2 times at room temperature. Last but not least, a scheme to substantially prolong the T2 coherence time by locking the spin polarization with the dynamic decoupling Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) pulse sequence is applied., In der vorliegenden Arbeit werden die energetische Struktur und die Kohärenzeigenschaften der Silizium Fehlstelle in dem technologisch relevanten Material Siliciumcarbid mit Hilfe der optisch detektierten Magnetresonanz (ODMR) Technik extensiv analysiert, um ihr außerordentliches Potential für verschiedene quanten-mechanische Anwendungen zu untermauern. Aus der C3v Symmetrie und dem 3/2 Spinsystem des Defekts entstehen einzigartige Attribute, die nur teilweise durch den Standard Hamiltonoperator des Modells einer einachsigen Symmetrie wahrheitsgemäß beschrieben werden. Aus diesem Grund wird ein weiterentwickelter Hamiltonoperator aufgestellt, welcher die auftretenden Eigenschaften genau wiedergibt. Aus experimentellen Messungen werden anschließend seine Parameter bestimmt. Das nun vorliegende genaue Verständnis der auftretenden Phänomene wird dazu genutzt, diverse Methoden zur Quantensensorik auszuarbeiten. Zuerst wird ein Schema für Vektormagnetometrie aufgestellt, welches sich das Auftreten von vier ODMR Linien zunutze macht. Die Methode ermöglicht simultane Detektion, sowohl von der Magnetfeldstärke, als auch von dem Winkel zwischen der Magnetfeldrichtung und der Symmetrieachse des Kristalls. Das zweite Magnetometrie protokoll nutzt das Auftreten von energetischen anticrossings (level anticrossing, LAC) im Grundzustand (ground state, GS). Durch das Verfolgen der Änderung der Photolumineszenz in der Nähe dieser GSLACs, braucht diese rein optische Technik keine Radiowellen und ist dementsprechend viel leichter umzusetzen und bietet weniger Fehlerquellen als die üblichen Magnetometriemethoden an Quantenpunkten. Eine ähnliche, rein optische Methode wird auch für Temperaturmessungen vorgestellt, welche auf der thermisch induzierten Verschiebung der Nullfeldaufspaltung und somit auch der anticrossings im angeregten Zustand (excited state, ES) basiert. Da die GSLACS keine Temperaturabhängigkeit zeigen, können die rein optischen Methoden zur Magnetfeld- und Temperaturmessung nacheinander am selben Defekt erfolgen. Um die erreichbare Sensitivität der Quantenmetrologie zu quantifizieren und auch um das Potential der Si-Vakanzen für Quantencomputing zu demonstrieren, werden die Kohärenzeigenschaften mit Hilfe der gepulsten ODMR Technik analysiert. So werden die Spin-Gitter Relaxationszeit T1 und die Spin-Spin Relaxationszeit T2 eingehend analysiert und deren Abhängigkeit von einem externen Magnetfeld und der Temperatur aufgestellt. Für tatsächliche Implementierung in einem Sensor, ist es entscheidend ein Optimum zwischen dem Signal-Rausch-Verhältnis und der Kohärenzlänge zu etablieren. Deswegen spielt die Kristallbestrahlung, durch die die Defekte erzeugt werden, eine wichtige Rolle für die Leistungsfähigkeit des Endgerätes. In der vorliegenden Arbeit werden unterschiedlich bestrahlte Proben, nämlich einmal mit Elektronen und einmal mit Neutronen unterschiedlicher Energie und mit unterschiedlichen Bestrahlungsdosen, analysiert. Anschließend wird eine Methode zur substantiellen Verlängerung der T2 Kohärenzzeit durch das locking der Spinpolarisation mit der Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) Pulssequenz durchgeführt.

Eine wichtige Eigenschaft von Leistungsdioden ist ihre Stoßstromrobustheit, also die Fähigkeit, einem kurzeitigen hohen Strom standzuhalten. Bei Dioden aus SiC wird dabei häufig auf die MPS-Struktur zurückgegriffen. In dieser Arbeit wird das Stoßstromverhalten von neuen 1200V-SiC-MPS-Dioden von Infineon untersucht. Dabei wird gemessen, welchem Strom die Dioden bei einem Halbsinus-Puls von 10ms standhalten. Das Ergebnis wird mit der Robustheit herkömmlicher SiC-Schottky-Dioden verglichen. Die Stoßstromrobustheit bei Parallelschaltung wird untersucht. Mittels elektro-thermischer Simulationen werden Möglichkeiten zur Verbesserung der Stoßstromrobustheit der Dioden erörtert. Hierbei wird die Schichtdicke erhöht und Kupfer statt Aluminium als Anodenmetallisierung angenommen. Des Weiteren wird das Simulationsmodell hinsichtlich der Lotschicht und eines reduzierten SiC-Substrats variiert. Die MPS-Dioden weisen bei hohem Strom einen negativen differentiellen Widerstand auf, hervorgerufen durch die Injektion von Minoritätsladungsträgern aus den p-dotierten Gebieten. Die Aktivierung der Injektion von Minoritätsladungsträgern in Abhängigkeit der Größe der p-dotierten Gebiete wird ebenfalls mittels Simulationen untersucht. Ein Vergleich verschiedener Caughey-Thomas-Parameter zur Modellierung der Ladungsträgermobilität in FEM-Bauelementsimulatoren wird durchgeführt. Das Ausschaltverhalten der MPS-Dioden wird unter verschiedenen Bedingungen gemessen. Dazu zählen das Abschalten unter Anwendungsbedingungen, das Abschalten unter Überlast von bis zum fünfzehnfachen Nennstrom, das Abschalten mit hohen Strom- und Spannungssteilheiten und das Abschalten in Parallelschaltung und mit zusätzlicher parasitärer Induktivität. Die Untersuchungen zeigen eine hohe Robustheit der neuen 1200V-SiC-MPS-Dioden. The surge current ruggedness is an import property of power diodes. In case of SiC diodes this is realized by a Merged-pin-Schottky (MPS) structure. In this thesis the surge current ruggedness of novel 1200V SiC MPS diodes from Infineon is investigated. The maximum current during a half sine surge current pulse of 10ms is determined in measurements for various diodes and compared to the surge current ruggedness of conventional Schottky diodes. Furthermore, the surge current ruggedness in parallel arrangement is measured. By the means of electro-thermal simulations options to improve the surge current ruggedness are investigated. The simulation model is varied concerning the diodes anode metalization layer thickness and material. The layer thickness is increased and the typical aluminum is replaced by copper. Additionally, the influence of the silicon carbide substrate thickness and the solder layer thickness and material on the surge current ruggedness is simulated. The MPS diodes possess a negative differential resistance at high currents caused by the injection of minority carriers by the p-doped regions. The injection of minority carriers in dependence of the size of the p-regions is also examined in simulations. Furthermore, different parameter sets of the the Caughey-Thomas formula to describe the carrier mobility are compared. The turn-off behavior of the diodes is measured under different conditions such as the turn-off from fifteen times the rated current, the turn-off with high current and voltage slopes and the turn-off in parallel arrangement and with additional inductance. The investigation show a high robustness of the novel 1200V SiC MPS diodes.

We have pioneered a novel approach to the synthesis of high-quality and highly uniform few-layer graphene on silicon wafers, based on solid source growth from epitaxial 3C-SiC films [1,2]. The achievement of transfer-free bilayer graphene directly on silicon wafers, with high adhesion, at temperatures compatible with conventional semiconductor processing, and showing record- low sheet resistances, makes this approach an ideal route for metal replacement method for nanodevices with ultimate scalability fabricated at the wafer –level.

This work presents a 6.5-kV 1-kA SiC bipolar diode module for megawatt-range medium voltage converters. The study comprises a review of SiC devices and bipolar diodes, a description of the die and module technology, device characterization and modelling and benchmark of the device at converter level. The effects of current change rate, temperature variation, and different insulated-gate bipolar transistor (IGBT) modules for the switching cell, as well as parasitic oscillations are discussed. A comparison of the results with a commercial Si diode (6.5 kV and 1.2 kA) is included. The benchmark consists of an estimation of maximum converter output power, maximum switching frequency, losses and efficiency in a three level (3L) neutral point clamped (NPC) voltage-source converter (VSC) operating with SiC and Si diodes. The use of a model predictive control (MPC) algorithm to achieve higher efficiency levels is also discussed. The analysed diode module exhibits a very good performance regarding switching loss reduction, which allows an increase of at least 10 % in the output power of a 6-MVA converter. Alternatively, the switching frequency can be increased by 41 %.:1 Introduction 2 State of the art of SiC devices and medium-voltage diodes 2.1 Silicon carbide diodes and medium-voltage modules 2.2 Medium-voltage power diodes 3 Characterization of the SiC PiN diode module 37 3.1 Introduction 3.2 Experimental setup 3.3 Experimental results: static behaviour 3.4 Experimental results: switching behaviour 3.5 Comparison with 6.5-kV silicon diode 3.6 Oscillations in the SiC diode 3.7 Summary 4 Comparison at converter level 4.1 Introduction 4.2 Power device modelling 4.3 Determination of maximum converter power rating 4.4 Analysis 4.5 Increased efficiency through model predictive control 4.6 Summary 5 Conclusion

Free-standing films of ordered mesoporous silicon and titanium carbide-derived carbons have been synthesized using a novel soft templating approach without employing hydrofluoric acid. Tetraethyl orthosilicate or titanium citrate, alternatively, and a phenolic resin underwent an evaporation induced self-assembly yielding ordered mesoporous silicon carbide/carbon or titanium carbide/carbon composites. High temperature chlorine treatment transformed these materials conformally into carbide-derived carbons (CDC) while the ordered arrangement of mesopores was maintained. The corresponding hierarchical pore structures consist of narrowly distributed micro- and mesopores (distribution maxima at 1 and 5 nm, respectively) with a high surface area and pore volume of up to 1538 m 2 /g and 2.53 cm 3 /g, respectively.

Using inelastic electron scattering in combination with dielectric theory simulations on differently prepared graphene layers on silicon carbide we demonstrate that the coupling between the 2D plasmon of graphene and the surface optical phonon of the substrate cannot be quenched by modifcation of the interface via intercalation. The intercalation rather provides additional modes like, e.g., the silicon-hydrogen stretch mode in the case of hydrogen intercalation or the silicon-oxygen vibrations for water intercalation that couple to the 2D plasmons of graphene. Furthermore, in the case of bilayer graphene with broken inversion symmetry due charge imbalance between the layers, we observe a similar coupling of the 2D plasmon to an internal infrared-active mode, the LO phonon mode. The coupling of graphene plasmons to vibrational modes of the substrate surface and internal infrared active modes is envisioned to provide an excellent tool for tayloring the plasmon band structure of monolayer and bilayer graphene for plasmonic devices such as plasmon flters or plasmonic wave guides. The rigidity of the effect furthermore suggest that it may be of importance for other 2D materials as well.

Graphen ist mehr als nur eine einzelne Kohlenstoffschicht. Während man auf der einen Seite versucht, die untersuchte Graphenlage möglichst vollständig vom Substrat zu entkoppeln um die einzigartigen fundamentalen Eigenschaften des intrinsischen Graphens zu untersuchen kann, man die Messdaten doch nur verstehen, wenn man die direkte Umgebung der Kohlenstoffschicht - insbesondere das Substrat - mit in Betracht zieht. Bei dem in der vorliegenden Arbeit betrachteten Epitaktischen Graphen auf Siliziumkarbid(0001) bildet der Halbleiterkristall nicht nur Substrat, sondern auch Grundstoff, das Graphen wird durch thermische Zersetzung des Halbleiters direkt auf diesen aufgewachsen. Dadurch entsteht ein enger Zusammenschluss zweier Materialien mit vielen herausragenden Eigenschaften zu einem Materialsystem, das erst in seiner Gesamtheit sein volles Potential entfaltet. Kernstück dieses Materialsystems bildet die Grenzfläche der beiden Hauptkomponenten. Diese ist maßgeblich mitverantwortlich für die Eigenschaften des Graphens. Mittels Grenzflächenmanipulationen wie der hier verwendeten Wasserstoffinterkalation lässt sich die Dotierung des Graphens gezielt beeinflussen. Damit einhergehend ändert sich auch das elektrische Kontaktverhalten zwischen Graphen und SiC und eröffnet dadurch neue Möglichkeiten. Als Testumgebung dient ein Off-Axis-SiC-Wafer mit maßgeschneiderten Epitaxieschichten. Im Rahmen der Arbeit wurde auch das Wachstum auf verkipptem Substrat optimiert. Direkt nach dem Wachstum ist epitaktisches Graphen elektronenleitend, die Eigenschaften werden im Wesentlichen von der 6√3×6√3 R30°-Oberflächenrekonstruktion an der Grenzfläche bestimmt, die das SiC durch eine hohe Zustandsdichte elektrisch weitestgehend abschirmt. Die Arbeit zeigt, dass sich bei der Verwendung von n-Typ SiC (verschiedener Polytypen) ein guter Ohm'scher Kontakt zwischen Graphen und Substrat ausbildet. Der Kontaktwiderstand ist zu der aktuellen Standardkontaktierung mithilfe einlegierter Metallkontakte durchaus konkurrenzfähig und im Gegensatz zu dieser selbst bei sehr geringer Dotierung des Halbleiters noch gut möglich. Die Wasserstoffinterkalation konvertiert die Grenzflächenrekonstruktion in eine gewöhnliche zusätzliche Graphenlage. Diese starke Änderung der Grenzfläche geht mit einem Wechsel des Ladungstransports zur Löcherleitung einher. Es zeigt sich ein gleichrichtendes Verhalten des Graphen-SiC-Kontakts. Die Höhe der Schottky-Barriere liegt (je nach Polytyp und Dotierung) bei etwa 1,5 eV. Die effektive Schottky-Barriere liegt jedoch durch kleine Bereiche niedriger Barrieren oft einen Faktor 2 darunter. Als Hauptgrund für die Reduktion der Barriere können Substratstufenkanten identifiziert werden. Um das zu Umgehen, wird die Waferpräparation und das Wachstum auf möglichst breite Substratterrassen hin optimiert. Das verschlimmert zwar die Situation an der Stufenkante selbst, ermöglicht aber Bauteile auf atomar flachem SiC-Substrat. Im Rahmen der Arbeit wird ein Verfahren entwickelt, dass es erlaubt, die beiden vorgestellten Grenzflächenvarianten strukturiert nebeneinander zu präparieren. Unter Einbeziehung des SiC als aktive Komponente lassen sich damit ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Materialien monolithische Transistoren herstellen. Diese arbeiten nach dem Prinzip des Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MeSFET) und werden analog mit GraSFET betitelt. Diese Transistoren zeigen im Gegensatz zu reinen Graphentransistoren ausgezeichnetes Schaltverhalten mit einen maximalen An-Aus-Kontrast von über 6 Größenordnungen bei Raumtemperatur. Bei Verwendung des eigens angepassten Wafers lässt sich mithilfe eines zusätzliche Rückseitenkontakts der Arbeitspunkt dynamisch einstellen. Bei semiisolierenden SiC-Wafern als Ausgangsbasis ist eine stabile, reproduzierbare Funktion der Transistoren in einem Temperaturfenster von -180°C bis +400°C möglich. Dabei fällt der An-Aus-Kontrast erst bei 170°C unter 4 Größenordnungen, stabile Operation ist also in Temperaturbereichen jenseits derer siliziumbasierter Technologie möglich. Selbst ohne Optimierung zeigen die Transistoren noch bei Schaltfrequenzen von wenigstens 1 MHz keine signifikanten Abweichungen vom Gleichstromverhalten. Aus der Grundidee, dass Epitaktisches Graphen aus SiC (0001) sich nur als untrennbare Einheit aus Graphen, SiC und gemeinsamer Grenzfläche sinnvoll betrachten und verstehen lässt, wurde ein Konzept Monolithischer Epitaktischer Graphenelektronik entwickelt, dass prinzipiell ohne zusätzliche Materialien auskommt. Dabei werden alle drei Teilkomponenten als essentielle Bestandteile verstanden, deren Vorzüge sich ergänzen. Zu den atomar dünnen, transparenten, leicht modifizierbaren Kontakten aus Graphen gesellt sich die große Bandlücke des Hochleistungshalbleiters SiC. Stromfluss kann in diesen beiden Ebenen fließen, durch Manipulation der Grenzfläche lässt sich der Übergang zwischen den Ebenen einstellen. Neben den beschriebenen Transistoren lassen sich auch (Schottky-)Dioden leicht realisieren. Passive Bauelemente (Widerstände, Kapazitäten, Induktivitäten) lassen sich mühelos beispielsweise durch entsprechend ausgeformte Graphenleiterbahnen integrieren. Mittels erprobter Methoden lassen sich alle Teilkomponenten umfangreich modifizieren, was noch weitere Möglichkeiten eröffnet. Der umfangreiche Baukasten, der mit dem Konzept monolitischer epitaktischer Graphenelektronik zur Verfügung steht, ermöglicht monolithische integrierte Schaltungen. Der hohe An-Aus-Kontrast der beschriebenen GraSFETs erlaubt dabei auch digitale Anwendungen bei Raumtemperatur. Es werden neben einem einfachen Inverter auch NAND- und NOR-Gatter in einfacher Widerstands-Transistor-Logik realisiert. Die Bauteile haben jeweils das Potential, mehrere baugleiche Logikgatter zu treiben und ermöglichen damit den Aufbau einer kompletten Logik. Da die Prozessierung neben der Vorstrukturierung des SiC mit der anderer Graphenbauelemente faktisch identisch ist, lässt sich diese Logik nahtlos gemeinsam mit schnellen analogen Graphentransistoren kombinieren und kann diese um logische Funktionalitäten ergänzen. Graphene is more than just a single sheet of carbon. For many experiments, it is the aim to preferably completely decouple the graphene sheet of interest from its substrate to examine the unique fundamental properties of intrinsic graphene. On the other hand data can only be fully understood by also looking at the immediate environment of that carbon layer, especially considering the substrate. In Epitaxial Graphene on Silicon Carbide (0001), which is examined in the thesis at hand, the semiconductor crystal is not only substrate but base material. Graphene is grown directly on top of the semiconductor by thermal decomposition. This leads to an tight union of two materials with many outstanding properties into a material system evolving its full potential only as an entity. Core of this material system is the interface between the two main components. It's significantly involved in giving graphene's properties. By means of interface manipulation like hydrogen intercalation as used in this thesis, the doping of graphen can purposefully be controlled. We demonstrate that this goes along with changes in the electrical contact behaviour between graphene and SiC that allows novel functionality. An off axis SiC wafer with tailormade epitaxiel layers served as a testbed. Growth on tilted material was optimized in the course of this work. Pristine graphene is n-type. Its properties are mainly fixed via a 6√3×6√3 R30° surface reconstruction at the interface electrically screening most of the SiC because of its high density of states. As the thesis shows, using n-type SiC (of various polytypes) a proper ohmic contact between graphene and SiC is formed. The contact resistances we measured are clearly competitive with conventional annealed metal contacts. In contrast to the latter ohmic behaviour is even observed for very low semiconductor doping. Hydrogen intercalation converts the former surface reconstruction into an additional ordinary graphene layer. This significant change of the interface goes along with a transformation of charge transport into hole transport. Rectifying behaviour is observed at the graphene/SiC contact. A Schottky barrier height of approximately 1.5 eV is observed (slightly varying with polytype and doping). The effective Schottky barrier height that is the electrically relevant quantity, however, is often found to be lower by a factor of 2 due to localized regions with lower barrier height. Substrate steps can be identified as a main source of that reduction. To avoid this wafer preparation and graphene growth are trimmed to maximize the width of substrate terraces. Despite the situation gets worse at the substrate steps it enables devices residing on a atomically flat SiC substrate. In the framework of the thesis at hand a method is developed to structure both kinds of interface side-by-side. Including the SiC as active component, monolithic transistors without the need for additional materials get enabled. As they have a working principle similar to a metal semiconductor fieldeffect transistor (MeSFET) with graphene instead of the metal, they were babtized GraSFET. In contrast to graphene-only transistors these devices come up with on/off ratios exceeding 6 orders of magnitude at room temperature. Using the special testbed wafer, working point can dynamically be adjusted by maens of a backgate. Semi-insulating SiC as source material enables robust and reproducible operation of transistors in a temperature range from -180°C up to 400°C. As on/off ratio drops below 4 orders of magnitude not before 170°C, stable operation in temperature ranges beyond those of conventional silicon technology is possible. Even without any optimization no significant deviations from dc behaviour are observed at switching frequencies of at least 1 MHz. The overall idea of Epitaxial Graphene on SiC (0001) as an inseparable union of graphene, SiC and common interface culminates into a concept of Monolithic Epitaxial Graphene Electronics where in principal nothing else is needed for. The three main components are all understood as essential, each adding its advantages. So atomically thin, transparent, easy to modify graphene contacts are accompanied with the large bandgap of the high power semiconductor SiC. Current can flow in those two layers, manipulating the interface adjusts the transition between them. Supplementing the transistors also (Schottky-)diodes are easy to implement. Passive components (resistors, capacities, inductivities) are integrated straight on for example by appropritately shaping graphene strip lines. All subcomponents can extensively be modified by well-proven methods inaugurating even more possibilities. The wide set of buiding blocks within the concept of monolithic epitaxial graphene electronics enables monolithic integrated circuits. High on/off ratio GraSFETs renders even digital applications at room temperature possible. Besides simple inverter circuits also NAND gates and NOR gates in simple resistor-transistor-logic are carried out. With the potential of driving several identical gates the shown devices allow for building a complete logic. As processing except wafer pretreatment is identical to common graphene processing this logic is combined seamlessly with fast analogue graphene transistors adding logic functionality.

Graphene is a two-dimensional layer of sp2 -hybridized carbon atoms. It shows unique material properties resulting in marked relevance in both fundamental research and potential applications. One strategy to produce high-quality, large-scale graphene is the epitaxial growth of graphene on SiC(0001). The graphene-substrate interaction induces an ‘intrinsic’ majority charge carrier density in the graphene sheet, resulting in a conductive film that allows for applications in graphene electronics. In the present thesis, the DC and THz response behavior of the electrical contact region in hybrid MLG/QFBLG devices, comprising n-type monolayer graphene (MLG) and p-type quasi-freestanding bilayer graphene (QFBLG) side-by-side on a single chip, is investigated by temperature-dependent quantum transport and THz transmission in the graphene devices. In the first part, a device fabrication strategy is presented that is developed for MLG and QFBLG regions side-by-side and in electrical contact on a single chip. The conversion process from n-type MLG to p-type QFBLG via spatially controlled hydrogen intercalation is characterized by electrical probing and surface science techniques, namely scanning electron microscopy, scanning tunneling microscopy and photoelectron spectroscopy. It is shown that the conversion interface, i.e. the border line between MLG and QFBLG, is sharp at the nm scale and aligns with respect to the orientation of the buffer layer, which is a SiC surface reconstruction forming during the growth of epitaxial graphene. On a large scale, the presented fabrication strategy allows to pattern the charge carrier density in large-area devices without using metallic gates, which would show spurious influence in many experiments. The quantum- and magnetotransport measurements in hybrid MLG/QFBLG devices result in identification of concurrent transport mechanisms in the graphene constituents. While the temperature-dependent zero-magnetic- field resistivity is largely determined by the device-substrate interaction, quantum transport contributions at cryogenic temperatures are decoupled and quantified by studying temperature-dependent magnetotransport. The presented findings can be strikingly well allocated to the respective graphene constituents. Furthermore, the investigation of the contact region, formed between the differently charged MLG and QFBLG, via current-voltage characterization yields a linear, i.e. ohmic, response behavior with a distinct contribution of a non-symmetric zero-bias anomaly that can be allocated to the EEI-induced tunneling junction. Due to unequal manifestation of the chirality quantum number in the MLG and QFBLG, the potential violation of time-reversal symmetry in hybrid MLG/QFBLG devices is investigated. However, the comparison between the experimental investigations and Onsager’s reciprocal relations demonstrates no sign for this violation. The THz response of patterned epitaxial graphene is investigated experimentally in transmission geometry. It is shown that spatial-periodic modulation of the graphene’s sheet conductivity is required in order to resonantly excite surface plasmon-polaritons (SPPs), bound to the graphene sheet, by incident THz radiation. The occurrence of additional graphene contributions at quasi-periodically aligned SiC step edges during graphene growth already causes finite THz response of the investigated graphene devices. Excellent agreement between the experimental findings presented in this work and tailored, full wave electrodynamics simulation is demonstrated for lithographically patterned devices comprising a periodic array of isolated graphene stripes (MLG and QFBLG) with a clear signature for resonant excitation of SPPs in the THz spectral range. It is remarkable that the atomically thin and almost fully transparent graphene can reduce the polarization-dependent THz transmission by 50% when a periodic array of stripes is patterned in analogy to a wire grid polarizer in the case of epitaxial graphene. Finally, the investigation of a continuous-sheet graphene device comprising an array of alternating MLG and QFBLG stripes demonstrates the resonant excitation of SPPs in agreement with the full wave electrodynamics simulation based on the previously determined material properties. This indicates minor impact of the MLG-to-QFBLG junction onto the THz response of the hybrid device. It should be emphasized that the subtle contrast in conductivity, induced via the hybrid stripe patterning, can result in a relative polarization contrast in transmission of 20%, although the device comprises a continuous graphene sheet. Graphen ist eine zweidimensionale Lage bestehend aus sp2 -hybridisierten Kohlenstoffatomen. Es zeichnet sich durch einzigartige Materialeigenschaften aus, welche die erhebliche Relevanz dieses Materialsystems sowohl für die Grundlagenforschung als auch für potentielle Anwendungen begründen. Das epitaktische Wachstum von Graphen auf SiC(0001) stellt hierbei eine Möglichkeit dar, großflächig Graphen von hoher Qualität herzustellen. Aufgrund der Graphen-Substrat Wechselwirkung wird eine ‘intrinsische’ Majoritätsladungsträgerdichte in der Graphen-Schicht induziert. Die hieraus resultierende, elektrisch leitfähige Schicht ermöglicht vielfältige Anwendungen im Bereich der sogenannten Graphen-Elektronik. In der vorliegenden Arbeit wird das DC sowie das THz Verhalten der elektrischen Kontaktregion in hybriden MLG/QFBLG Bauelementen, welche aus n-typ Monolagen-Graphen (MLG) Seite an Seite mit p -typ quasi-freistehendem Bilagen-Graphen (QFBLG) auf demselben Chip bestehen, mittels temperaturabhängiger Quantentransport- und THz Transmissionsexperimente untersucht. Im ersten Teil wird das Herstellungsverfahren erläutert, welches entwickelt wurde, um MLG und QFBLG Bereiche Seite an Seite und im elektrischen Kontakt auf demselben Chip herzustellen. Hierzu wird die Konversion von n -typ MLG zu p -typ QFBLG mittels der räumlich kontrollierten Interkalation von Wasserstoff anhand elektrischer Messverfahren und Methoden der Oberflächenanalytik untersucht. Letztere schließen die Rasterelektronenmikroskopie, die Rastertunnelmikroskopie als auch die Photoelektronenspektroskopie ein. Es wird gezeigt, dass der Übergangsbereich zwischen MLG und QFBLG auf der nm-Skala scharf ist. Zudem richtet sich dieser Graphen-Übergangsbereich entlang der durch die sogenannte ‘buffer layer’ vorgegebenen Periodizität im Realraum aus. Die buffer layer ist eine während des Graphen-Wachstumsprozesses entstehende Oberflächenrekonstruktion des SiC. Das angesprochene Herstellungsverfahren ermöglicht die zielgerichtete Modulation der Ladungsträgerdichte in großflächigen Graphen-Bauteilen. Herauszustellen ist hierbei, dass die Verwendung der für diesen Zweck häufig üblichen metallischen Gate-Strukturen, welche einen störenden Einfluss auf eine Vielzahl von Experimenten ausüben, vermieden wird. Untersuchungen des Quantentransports in hybriden MLG/QFBLG Bauelementen erlauben die Identifikation der in den beteiligten Graphen-Komponenten gleichzeitig auftretenden Transportmechanismen. So kann gezeigt werden, dass das Hochtemperaturverhalten des spezifischen Widerstands ohne äußeres Magnetfeld mehrheitlich durch die Bauelement-Substrat Wechselwirkung bestimmt wird. Zudem können führende Beiträge zum Quantentransport mittels Untersuchung des temperaturabhängigen Magnetotransports bei kryogenen Temperaturen isoliert und quantifiziert werden. Die aufgezeigten Erkenntnisse können hervorragend den jeweiligen Graphen-Komponenten der untersuchten Bauelemente zugeordnet werden. Im Weiteren ergibt die Strom-Spannungs-Charakterisierung der elektrischen Kontaktregion zwischen den unterschiedlich geladenen MLG und QFBLG Bereichen ein lineares, d.h. ohmsches Antwortverhalten, welche jedoch einen merklichen Beitrag einer nichtsymmetrischen Altshuler-Aronov Anomalie (oft auch: zero-bias anomaly) aufweist. Aufgrund der unterschiedlichen Manifestierung der Chiralitätsquantenzahl in beiden Graphen-Komponenten wird abschließend die potentielle Verletzung des Prinzips der Zeitumkehrinvarianz bei Ladungstransport über diese Kontaktregion untersucht. Der Vergleich zwischen den Ergebnissen der angestellten, experimentellen Untersuchungen und den Onsagerschen Reziprozitätsbeziehungen belegt die Gültigkeit des grundlegenden Prinzips der Zeitumkehrinvarianz. Im letzten Teil dieser Arbeit wird das Antwortverhalten strukturierten, epitaktischen Graphens im THz Spektralbereich in Transmissionsgeometrie experimentell untersucht. Es wird aufgezeigt, dass eine räumlich periodische Modulation der elektrischen Leitfähigkeit der Graphen-Schicht notwendig ist, um resonant Oberflächenplasmon-Polaritonen (surface plasmon-polaritons, SPPs), welche evaneszent an das Graphen gebunden sind, durch einfallende THz Strahlung anzuregen. Das Entstehen zusätzlicher Graphen-Lagen entlang der quasi-periodisch angeordneten Stufenkanten des SiC während des Graphen-Wachstumsprozesses kann bereits eine endliche Systemantwort der untersuchten Graphen-Bauelemente zur Folge haben. Darüber hinaus kann die exzellente Übereinstimmung der experimentellen Erkenntnisse für lithographisch strukturierte Bauelemente, die aus der periodischen Anordnung isolierter Graphen-Streifen (MLG und QFBLG) bestehen, und speziell entwickelten Vollwellen-Elektrodynamik-Simulationen gezeigt werden. Hierbei tritt eine deutliche Signatur der resonanten Anregung von SPPs im THz Spektralbereich zu Tage. Es ist bemerkenswert, dass das atomar-dünne und annähernd vollständig transparente Graphen die polarisationsabhängige THz Transmission im Falle des epitaktischen Graphens um bis zu 50% reduzieren kann, wenn eine periodische Streifenanordnung in Analogie eines Drahtgitterpolarisators gewählt wird. Die abschließende Untersuchung eines Bauelements mit zusammenhängender Graphen-Schicht bestehend aus einer alternierenden Anordnung von MLG- und QFBLG-Streifen zeigt die resonante Anregung von SPPs in guter Übereinstimmung mit der respektiven Vollwellen-Elektrodynamik-Simulation, welche auf den eingangs ermittelten Materialeigenschaften basiert. Dies lässt den geringfügigen Einfluss des MLG/QFBLG Kontaktbereiches auf das THz Antwortverhalten des hybriden Bauelements schließen. Bemerkenswert ist, dass der subtile Leitfähigkeitskontrast, der durch die hybride Strukturierung der Graphen-Schicht erreicht wird, einen relativen Polarisationskontrast von bis zu 20% in der gemessenen THz Transmission hervorruft, obschon das Bauelement aus einer atomar dünnen Graphen-Schicht besteht.

Solid and liquid phase sintered silicon carbide (SiC) ceramics are used in aggressive environments, e.g. as seals and linings in chemical plant equipments. There exist data concerning corrosion of solid phase sintered SiC (SSiC), but there are only few data concerning their electrochemical corrosion behaviour. The corrosion of liquid phase sintered SiC ceramics (LPS SiC) containing yttria aluminium oxide grain boundary phases has been investigated by standard methods that have shown the decisive influence of the oxide grain boundary on the corrosion stability of these materials. But no electrochemical investigations are known. In this study therefore, potentiodynamic polarisation measurements have been used to determine the corrosion mechanisms of SSiC and LPS SiC ceramics at room temperature in acidic and alkaline environments. The investigation has shown a pronounced electrochemical corrosion in acids and alkaline solutions for both types of materials. In HCl and HNO 3 pseudo-passivity features due to the formation of a thin layer of SiO 2 on the surface were observed, whereas in NaOH soluble silicate ions were observed resulting in more pronounced corrosion. Microstructural observations of initial and corroded samples revealed that the residual carbon found in the microstructure of SSiC did not dissolve preferentially. The corrosion current densities of the LPS SiC materials were caused by the dissolution of SiC and not by the corrosion of the oxide grain boundary phase. The corrosion current densities of the LPS SiC materials investigated were lower than those of the SSiC materials.

Das dreistufige Flüssigsilicierverfahren (LSI) stellt eine Methode dar, siliciumcarbidbasierte faserverstärkte Keramiken herzustellen. Ausgangspunkt ist ein faserverstärkter Kunststoff, der über Pyrolyse (Konvertierung des Matrixpolymers in Kohlenstoff) und Silicierung (Siliciuminfiltration und Reaktion zu Siliciumcarbid) keramisiert wird. In der vorliegenden Arbeit werden die Matrix mittels der verwendeten Matrixpolymere (Matrixdesign) und das Faser/Matrix-Interface durch das Aufbringen von Faserbeschichtungen (Interfacedesign) definiert gestaltet. Die in der Arbeit eingesetzten Matrixpolymere beeinflussen durch eine unterschiedliche Poren- und Rissbildung in der Kohlenstoffmatrix die Siliciuminfiltration und die damit verbundene Siliciumcarbidbildung. Die Matrixpolymere erzeugen einerseits eine C-SiC-Dualphasenmatrix, wie diese bei den C/C-SiC-Verbunden angestrebt wird. Andererseits kann eine weitestgehend einphasige SiC-Matrix eingestellt werden, welche für die Herstellung von SiC/SiC-Verbunden interessant ist. Bei diesen Verbundwerkstoffen ist eine zusätzliche Faserbeschichtung entscheidend, um die Faser/Matrix-Bindung zu reduzieren und die Fasern vor dem Siliciumangriff während der Herstellung zu schützen. Als Faserbeschichtung werden eine BNx-Schicht und eine SiNx-Schicht entwickelt, die in einer BNx/SiNx-Doppelschicht kombiniert werden. Die Schichtherstellung erfolgt mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) auf einem kommerziellen SiC-Fasergarn (Tyranno SA3). Die amorphe BNx-Schicht ist innerhalb des Fasergarnes sehr homogen. Dahingegen besitzt die amorphe SiNx-Schicht einen Gradient in der Schichtdicke sowie in der chemischen Zusammensetzung. Bei der thermischen Auslagerung bleibt die BNx-Schicht stabil. Die SiNx-Schicht kristallisiert und es bilden sich Poren und Siliciumausscheidungen innerhalb der Schicht. Zudem entstehen teilweise Risse und Schichtabplatzungen. Weitere alternative Schichtkonzepte werden vorgeschlagen. The liquid silicon infiltration (LSI) process is used to produce silicon carbide (SiC) based fiber reinforced ceramics and consists of three stages. Starting point is a fiber reinforced plastic, which is ceramized by means of pyrolysis (conversion of the matrix polymer to carbon) and siliconization (silicon infiltration and reaction to form silicon carbide). In the present work, the matrix and the fiber/matrix interface are designed by utilizing special matrix polymers and fiber coatings, respectively. The used matrix polymers lead to different pore and crack formation in the carbon matrix affecting the liquid silicon infiltration and the silicon carbide formation. The polymers not only create a dual phase C-SiC matrix, which is aspired for the production of C/C-SiC composites, but also form a single phase SiC matrix favorable for the SiC/SiC composite production. An additional coating of the fibers for these composite materials is crucial to reduce the fiber/matrix bonding and to protect the fibers from corrosive silicon attack. Separate BNx and SiNx single coatings are developed, which are combined to a double coating. The coating process is realized by chemical vapor deposition (CVD) on a commercial SiC fiber yarn (Tyranno SA3). The amorphous BNx coating is very uniform within the yarn, whereas the amorphous SiNx coating is characterized by a gradient regarding the layer thickness as well as the chemical composition. During the high temperature heat treatment the BNx coating remains stable. The SiNx coating crystallizes and pores as well as silicon precipitations are formed. Moreover, the coating partially ruptures. In this work, some additional alternative coating concepts are also proposed.

In dieser Arbeit wurden zwei Halbleiter mit großer Bandlücke, Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC), charakterisiert. Dabei lag ein Schwerpunkt auf deren Anwendung in der Leistungselektronik. Es wurden die elektrisch aktiven tiefen Zustände in einem Graphen/Siliziumkarbid-Feldeffekttransistor mit Drain-Strom Deep-Level Transient Spectroscopy untersucht. Diese Methode bietet den Vorteil, die Zustände direkt auch an relativ kleinen Transistoren charakterisieren zu können, d.h. es bedarf keiner separaten Teststrukturen mit größeren Kontakten für Kapazitätsmessungen. Zur Bestimmung der Aktivierungsenergie, des Einfangquerschnittes und der Defektkonzentration wurde die hochsensitive Deep-Level Fourier Transient Spectroscopy verwendet. Es zeigten sich drei Zustände, die den intrinsischen Defekten E1/E2, Ei und Z1/Z2 in n-Typ 6H-SiC zugeordnet wurden. Weiterhin wurde die doppelt-korrelierte Deep-Level Transient Spectroscopy genutzt, um ein Konzentrationsprofil zu erstellen. Es wurden außerdem AlGaN/GaN-Strukturen untersucht. An deren Grenzfläche bildet sich ein 2-dimensionales Elektronengas, das in sogenannten High Electron Mobility Transistors (HEMT) als leitfähiger Kanal zwischen den Source- und Drain-Kontakten genutzt wird. Die Transporteigenschaften des 2-dimensionalen Elektronengases wurden im Tieftemperaturbereich mit Magnetowiderstandsmessungen untersucht. Hierbei wurden Quantenkorrekturen zum klassischen Widerstand beobachtet, die der Schwachen Lokalisierung, der Elektron-Elektron-Wechselwirkung und den Shubnikov-de Haas Oszillationen zugeordnet werden konnten. Darüber hinaus wurde die Ladungsträgerbeweglichkeit des 2-dimensionalen Elektronengases untersucht, dessen temperaturabhängiger Verlauf auf mehrere Streumechanismen zurückgeführt werden konnte. The wide band gap semiconductors gallium nitride (GaN) and silicon carbide (SiC) were characterized with a focus on their application in power electronics. Electrically active deep-levels in a graphene/silicon carbide field effect transistor were investigated by drain-current deep-level transient spectroscopy. This method provides the advantage to characterize traps directly on relatively small devices instead of preparing separate test structures with larger contacts for capacitance measurements. Activation energy, capture cross section and trap concentration were determined by applying the deep-level Fourier transient spectroscopy. Three deep levels were observed corresponding to the intrinsic E1/E2, Ei and Z1/Z2 in n-type 6H-SiC. Further, double correlated deep-level transient spectroscopy was used to determine trap concentration profiles. In addition, AlGaN/GaN structures were investigated. This heterojunction provides a two-dimensional electron gas which is the main component of GaN based high electron mobility transistors (HEMT). The electronic transport properties of the two-dimensional electron gas were investigated by magnetoresistance measurements in the low temperature range. The measurements showed quantum corrections to the classical conductance which could be identified as weak localization, electron-electron-interaction and Shubnikov-de Haas oscillations. In addition, the Hall mobility of the two-dimensional electron gas was investigated at various temperatures revealing different scattering mechanisms.

This work sheds light on different aspects of the silicon vacancy in SiC: (1) Defect creation via irradiation is shown both with electrons and neutrons. Optical properties have been determined: the excitation of the vacancy is most efficient at excitation wavelengths between 720nm and 800nm. The PL decay yields a characteristic excited state lifetime of (6.3±0.6)ns. (2) Defect engineering, meaning the controlled creation of vacancies in SiC with varying neutron fluence. The defect density could be engineered over eight orders of magnitude. On the one hand, in the sample with highest emitter density, the huge PL signal could even be enhanced by factor of five via annealing mechanisms. On the other hand, in the low defect density samples, single defects with photostable room temperature NIR emission were doubtlessly proven. Their lifetime of around 7ns confirmed the value of the transient measurement. (3) Also electrical excitation of the defects has been demonstrated in a SiC LED structure. (4) The investigations revealed for the first time that silicon vacancies can even exist SiC nanocrystals down to sizes of about 60 nm. The defects in the nanocrystals show stable PL emission in the NIR and even magnetic resonance in the 600nm fraction. In conclusion, this work ascertains on the one hand basic properties of the silicon vacancy in silicon carbide. On the other hand, proof-of-principle measurements test the potential for various defect-based applications of the vacancy in SiC, and confirm the feasibility of e.g. electrically driven single photon sources or nanosensing applications in the near future., In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte der Silizium-Fehlstelle in SiC beleuchtet: (1) Die Erzeugung der Defekte durch Bestrahlung, sowohl mit Elektronen als auch Neutronen. Einige optische Eigenschaften wurden ermittelt: die Anregung der Fehlstelle ist im Bereich von 720nm bis 800nm am effizientesten. Das Abklingen der PL zeigt eine charakteristische Lebensdauer des angeregten Zustands von (6.3±0.6)ns. (2) Maßschneidern der Defektdichte meint die kontrollierte Erzeugung von Defekten durch variablen Neutronenfluss. Hier konnte die Defektdichte gezielt über acht Größenordnungen verändert werden. Auf der einen Seite, in der Probe mit der höchsten Defektdichte, konnte das ohnehin schon große PL Signal noch um den Faktor fünf durch Temperprozesse erhöht werden. Auf der anderen Seite konnten in den Proben mit geringer Defektdichte einzelne Defekte mit stabiler nahinfrarot Emission bei Raumtemperatur zweifelsfrei nachgewiesen werden. Ihre Lebensdauer von etwa 7ns bestätigt den Wert aus den transienten Messungen. (3) Auch die elektrische Anregung der Defekte in einer SiC LED Struktur konnte gezeigt werden. (4) Die Untersuchung zeigte zum ersten Mal, dass Silizium-Fehlstellen in SiC Nanokristallen bis hinunter zu einer Größe von ca. 60 nm existieren können. Die Defekte zeigen stabile PL Emission im Nahinfraroten und sogar Magnetresonanz in der 600 nm Fraktion. Zusammenfassend werden in dieser Arbeit zum Einen grundlegende Eigenschaften der Silizium-Fehlstelle in Siliziumkarbid herausgefunden. Zum Anderen können Messungen zur Machbarkeit von verschiedenen Anwendungen sowohl das Potenzial der Fehlstelle in SiC für defektbasierte Anwendungen aufzeigen, als auch die Umsetzbarkeit von z.B. elektrisch betriebenen Einzelphotonenquellen oder Nanosensoren in naher Zukunft bestätigen.

Die vorliegende Dissertation leistet einen Beitrag zur spektroskopischen Messmethodik nanoskaliger Strukturen. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Entwicklung und Erprobung eines spektrofluorimetrischen Aufbaus, mit dessen Hilfe ein aus Kohlenstoffnanoröhren und DNA-Oligomeren bestehendes supramolekulares Modellsystem einer optischen Untersuchung zugänglich gemacht wird. Die Vielseitigkeit der Messeinheit aus Mikroskop und Spektrometer wird an einer weiteren Substanzklasse untermauert. So wird das Emissionsverhalten von in Siliziumcarbidkristallen induzierten Defektzentren einer räumlich, spektral und zeitlich aufgelösten Charakterisierung unterzogen. Die zentrale Komponente des Spektrofluorimetrieaufbaus stellt eine Superkontinuumlichtquelle dar. In Verbindung mit einem elektronisch geregelten Filtermodul zur Wellenlängenselektion erlaubt sie die Durchführung von Photolumineszenz-Anregungsexperimenten. Im Gegensatz zu kommerziell erhältlichen Systemen, die überwiegend auf eine spektroskopische Charakterisierung gelöster oder kolloidal stabilisierter Substanzen abzielen, erlaubt der hier realisierte Aufbau auch die PL- mikroskopische Untersuchung kondensierter Proben, was durch die Epi-Bauweise auch opake Substrate einschließt. Der Einsatz von InGaAs-Sensoren weitet das Detektionsfenster auf den Nahinfrarotbereich aus, sowohl hinsichtlich des Kamera- als auch des Spektroskopiekanals. Anhand verschiedenartiger Kohlenstoffnanorohrproben, die entweder in flüssiger Phase dispergiert oder in festem Zustand als Film abgeschieden vorliegen, wird die Leistungsfähigkeit des PLE-Experiments unter Beweis gestellt. Neben der Zuordnung der Chiralitäten in polydispersen SWNT-Suspensionen wird dies auch durch die Untersuchung von Energietransferprozessen und die Studie von Umgebungseinflüssen demonstriert. Die Charakterisierung des DNA-SWNT-Modellsystems in mikrofluidischer Umgebung macht von der fluoreszenzmikroskopischen Detektionseinheit Gebrauch. Während die intrinsische Photolumineszenz der Nanoröhren sicherstellen soll, dass Letztere in ausreichender Anzahl auf den mikrostrukturierten Substraten vorhanden sind, wird die extrinsische Photolumineszenz der funktionalisierten Oligonukleotide als spektroskopisches Maß für die DNA-Konzentration herangezogen. Das hierbei beobachtete Agglomerationsverhalten der farbstoffmarkierten Oligomere geht mit einer lokal erhöhten Fluoreszenzintensität einher und erlaubt damit die quantitative Auswertung der auf PL-Einzelbildern basierenden Zeitserien. Zugleich wird damit eine Abschätzung der DNA-Belegung auf den Nanoröhren möglich. Im Falle der aus 16 alternierenden Guanin-Thymin-Einheiten bestehenden Basensequenz lösen sich nach Initiieren des Desorptionsvorgangs ein Großteil der Oligomere von der Nanorohroberfläche ab. Lediglich ein Fünftel bleibt in adsorbierter Form zurück, was sich jedoch für die Hybridstabilität als ausreichend erweist. Die Freisetzung weiterer Oligomere bleibt bei der Versuchstemperatur von 20 °C trotz der hohen Verdünnung aus, da aufgrund des größeren Interadsorbatabstands und der damit verbundenen Abnahme repulsiver Wechselwirkungen die Aktivierungsbarriere für ihre Desorption steigt. Die Stabilität der DNA-SWNT-Konjugate liegt demnach in ihrer kinetischen Inertheit begründet, die sie vor einer Reaggregation bewahrt. Die Studie der in Siliziumcarbid induzierten Fehlstellendefekte kann als Beleg für die breite Anwendbarkeit des spektrofluorimetrischen Aufbaus gelten. PL-Mikroskopaufnahmen zeigen hierbei, dass die Anzahl der Defektzentren mit der Bestrahlungsintensität kontrolliert werden kann – von einer kontinuierlichen Verteilung bei hohen Strahlungsintensitäten über heterogene Defektansammlungen bis hin zu Einzeldefektstellen bei niedrigen Strahlungsdosen. Letztere resultieren in beugungsbegrenzten Signaturen und erlauben damit eine Charakterisierung des abbildenden Systems sowie des Anregungsfokus. Anhand der PLE-Analyse lässt sich das Absorptionsmaximum abschätzen. Aussagen zur zeitlichen Entwicklung des Emissionsverhaltens werden durch TCSPC-Messungen erhalten. Die abschließende Untersuchung des Photonenflusses mit Hilfe von Korrelationsexperimenten nach Hanbury Brown-Twiss zeigt bei Raumtemperatur kein Auftreten von Photonantibunching., Within the scope of this dissertation, a contribution towards the spectroscopic investigation of nanomaterials has been made. The approach applied here is a spectrofluorometric one, which allows the optical characterization of an oligonucleotide/single-wall carbon nanotube comprised supramolecular model system. The flexibility of the developed setup is demonstrated by studying another class of nanoscale samples, that is defect centers in silicon carbide crystals. Their emission behavior is subject to a spacial, spectral and temporal analysis. The key role in the combined microscope and spectrograph assembly is held by a supercontinuum light source. With the help of this device, excitation measurements can be conducted by shifting the wavelength with an electronically driven filter accessory. In contrast to commercially available systems, which predominantly focus on a spectroscopic characterization of substances in solution or in colloidal suspension, it is also possible to carry out PL microscopic studies of condensed matter. Because of an epifluorescence configuration, the samples to be measured imply opaque substrates as well. Using complementary sensor materials including InGaAs arrays enlarges the accessible range of emission for both imaging and spectroscopy. Differently processed carbon nanotube samples, occurring in either dispersed or deposited form, serve as a benchmark in assessing the capability of the PLE setup established here. For instance, it can be used to assign chiralities in heterogeneous SWNT suspensions or to analyze energy transfer as well as the impact of varying colloidal conditions. The studies of the DNA-SWNT model system are accomplished through the use of fluorescence microscopy under microfluidic control. The intrinsic photoluminescence of carbon nanotubes can be exploited to estimate, to what extent they cover the lithographically treated silicon wafers. The extrinsic photoluminescence of functionalized oligonucleotides is used as a spectroscopic probe for DNA concentration measurements. Bright spots with distinct shape are observed and attributed to an agglomeration of dye-labeled oligomers. By recording time series of PL images, the locally enhanced emission signal in these discrete sites can be quantitatively analyzed, representing the progress of DNA adsorption on SWNTs. Based on a DNA sequence consisting of 16 alternating guanine-thymine moieties, the present experiments reveal the release of most of the oligonucleotides, when starting off the desorption process. Only one fifth of the initially adsorbed amount remains attached to the nanotube surface, without the modified environment affecting hybrid stability. Remarkably, an ongoing desorption does not take place at the test temperature of 20 °C in spite of the vast dilution applied. This circumstance can be explained by an increased distance between the residually adsorbed oligonucleotides, resulting in less pronounced repulsive forces between them. Consequently, the activation energy barrier for inducing further detachment is raised. In case of sufficiently long base compositions, this suggests that the stability of conjugates is founded in their kinetic inertness. The absence of continued desorption eventually prevents these DNA-SWNT hybrids from reaggregating. The investigation of vacancy defects in silicon carbide proves the broad applicability of the spectrofluorimetric setup. PL microscopic studies show that the amount of defect sites can be controlled by tuning electron irradiance. The corresponding defect pattern evolves from a continuous distribution towards discrete clusters. By lowering the exposure dose even more, single defects emerge showing diffraction-limited signatures, which can help to elucidate the imaging system as well as the excitation focus in more detail. PLE mapping and time-correlated single photon counting of the fluorescence decay provide insight in photophysical parameters, including the absorption maxium and the lifetime of the excited state. Studying the photon flux by means of correlation measurements according to Hanbury Brown-Twiss does not give rise to photon antibunching under ambient conditions.

In der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle Untersuchungen zu Material begrenzenden Einflüssen beim Multidrahtsägen von Silicium unter Verwendung gerader und strukturierter Drähte durchgeführt. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss von dünnen und strukturierten Drähten auf den Drahtsägeprozess von Silicium und die erzeugten Waferqualitäten zu untersuchen. Zusätzlich galt es, Grenzen und Potentiale für den Einsatz dieser Drähte im Sägeprozess aufzuzeigen und ein Modell zu entwickeln, das den Materialabtrag in Silicium für strukturierte Drähte beschreibt. Die in dieser Arbeit verfolgten Lösungsansätze beinhalten im ersten Teil der Arbeit die Durchführung von Sägeexperimenten mit einer Eindrahtsäge. Es wurden dünne Drähte mit Durchmesser ≤ 100 µm und zwei unterschiedliche Siliciumcarbid (SiC) Korngrößenverteilungen untersucht. Zusätzlich wurden die Normalkräfte in Vorschubrichtung variiert. Im zweiten Teil der Arbeit werden Sägeexperimente mit einer Multidrahtsäge vorgestellt. Es wurden zwei unterschiedlich strukturierte Drähte mit variierten Drahtgeschwindigkeiten und Vorschüben im Vergleich zu geradem Draht untersucht. Der industrielle Einsatz dünner Drähte im Sägeprozess zur Reduzierung des Sägeverschnitts ist derzeit auf Durchmesser von 100 µm begrenzt. Die getesteten Drähte mit geringerem Durchmesser sind nicht wirtschaftlich einsetzbar, da sie zu geringe Standzeiten aufweisen und zu einer Slurryverarmung beitragen können. Es konnte eine Slurryverarmung des Schnittspalts in Silicium beobachtet werden, die um mehrere Zentimeter in den Schnittspalt ragt und dadurch den Drahtsägeprozess negativ beeinflusst, indem Sägeriefen entstehen. Die Verschleißuntersuchungen von Sägedrähten zeigen, dass eine lineare Abnahme der Drahtdurchmesserreduzierung in Abhängigkeit der akkumulierten Eingriffslänge in Silicium auftritt. Der Prozess der Durchmesserreduzierung wird maßgeblich durch die aufgebrachte Normalkraft, welche durch die Zugfestigkeit und Härte des Drahts beeinflusst wird, die Drahtgeschwindigkeit und die verwendete Korngrößenverteilung bestimmt. Es konnte durch Sägeversuche mit Drähten unterschiedlicher Hersteller gezeigt werden, dass das beobachtete Verschleißverhalten nicht einem Drahthersteller zuordenbar ist, sondern eine globalere Gültigkeit besitzt. Der industrielle Einsatz strukturierter Drähte wirkt sich positiv auf den Sägeprozess aus. Es konnten signifikant höhere Vorschübe bei ähnlichen Kräften im Vergleich zu geraden Drähten erreicht werden. Für einen Vorschub von 0,6 mm/min sind die Kraftwerte für strukturierten Draht A im Vergleich zu geradem Draht um 40% reduziert, für Draht B um 16%. Durch die Drahtstruktur wird ein größeres Slurryvolumen durch den Schnittspalt befördert, was zu einem homogeneren Materialabtrag entlang des Schnittspalts führt. Die erhöhten Vorschübe konnten sowohl für mono- wie auch für multikristallines Siliciummaterial erreicht werden. Zusätzlich wurden homogenere Waferdicken durch den Einsatz strukturierter Drähte beim Sägeprozess erzeugt. Auf Basis der Ergebnisse für strukturierte Drähte wurde ein theoretisches Modell für den Materialabtrag entwickelt, welches die in dieser Arbeit durchgeführten Experimente gut beschreibt. In the present work experimental analyses were carried out to investigate the material limiting influences in the multi wire sawing process of silicon while using thin and structured wires. The purpose of the work was to investigate influences on the wire sawing process and the resulting wafer qualities caused by thin and structured wires. Additionally, the purpose was to define the limits and potentials of thin and structured wires in industrial wire sawing processes and to develop a model which describes the material removal in silicon for structured wires. Experiments with two different SiC particle size distributions in combination with wire diameters of ≤ 100 µm and varying normal forces in feed direction were carried out in the first part of this work with a single wire saw. Experiments with two differently structured wires and variation of the wire speed and feed rate are shown in the second part using a multi wire saw. The actual limit for industrial sawing applications to reduce kerf loss is reached for 100 µm thin wire diameters. The tested lower wire diameters are uneconomical due to shorter durability and to aggravate slurry depletion effects. Such a depletion effect of several centimeters length which is detrimental for the wire sawing process was observed at the end of a sawing channel. The results of the experiments showed that the steel wire diameter is reduced linearly with the accumulated sawn length of silicon. The material removal process of the steel wire is significantly influenced by the normal force in feed direction and the hardness of the wire. The experiments with wires of different suppliers showed no difference in the material removal process. Therefore the abrasive wear of wires has a more global validation. The results of the experiments using differently structured wires showed that significantly lower forces in feed direction occur for a given feed rate in comparison to straight wires. The forces are reduced up to 40% for structured wire A and up to 16% for wire B for a feed rate of 0,6 mm/min. A higher slurry volume is transported due to the structure of the wire which enables a more homogeneous material removal process along the cutting channel. Higher feed rates were reached for mono- and multi crystalline silicon material. Additionally, more homogeneous wafer thicknesses were cut using structured wires.

The exceptional electronic transport properties of graphene promise a bright future for high frequency, graphene-based electronic devices which could outperform conventional semiconductor materials. Growing graphene on SiC wafers is a promising approach, as this procedure produces graphene on top of an insulating substrate without the need of transferring it to another substrate. Thus, thermal decomposition of SiC at elevated temperatures may be considered as the most suitable way to produce graphene wafers for electronic applications. Usually, one of the two opposing (0001) or (000-1) surfaces of hexagonal SiC is used as substrate. The SiC(0001) surface is silicon terminated and, therefore, also called Si-face, while the carbon terminated SiC(000-1) surface is also called C-face. Graphene growth on the C-face is challenging to control and often results in films with several layers of graphene. This is undesirable for the production of graphene-based field effect devices, as the outer graphene layers screen the inner layers from the electric field applied by the gate electrode. In contrast, the graphene growth on the Si-face is slower and more uniform. The process is governed by a carbon rich reconstruction with a $(6\sqrt{3} \times 6\sqrt{3})R\SI{30}{\degree}$ periodicity, acting as a buffer layer between the substrate and the graphene layers. This buffer layer (6\sqrt{3} for short), exhibits the same honey comb structure as graphene, but is covalently bound to the substrate and, therefore, electronically inactive. The 6\sqrt{3}, however, lowers the charge carrier mobility of the graphene layers residing on top of it and significantly dopes them. The aim of this work was to investigate procedures to improve epitaxial graphene on SiC which would be suited for graphene-based electronic devices. Three different approaches were studied to produce graphene on SiC without a buffer layer impairing its electronic properties. First, the transformation of the buffer layer into graphene by means of oxygen intercalation was discussed. The oxidation of the SiC interface decoupled the 6\sqrt{3} and resulted in a buffer layer free graphene residing on an oxide layer. However, this treatment led to the formation of substantial defects in the graphene structure. Second, the oxidation of the interface was conducted by annealing the samples in water vapor instead of oxygen. This approach promised to have a less degrading effect on the graphene layer, while achieving the same degree of decoupling. Third, the direct growth of buffer layer free, quasi-free-standing graphene on SiC was demonstrated, using the low-index, non-polar surfaces (1-100) and (11-20) as substrates. Oxygen intercalation was performed by two different methods: a high-temperature treatment at 750 °C in oxygen atmosphere with a pressure of 1e-4 mbar and a low-temperature treatment at 270 °C in a 200 mbar oxygen atmosphere. The higher partial oxygen pressure compensated for the lower temperature, so that both treatments resulted in a similar degree of oxidation. XPS analysis revealed that the oxidation occurred at the SiC interface, terminating the topmost silicon atoms from the substrate. It was also evident from XPS data, that the binding configuration of the carbon atoms from the buffer layer was changed by the oxygen intercalation, suggesting that the 6\sqrt{3} was decoupled from the substrate and transformed into graphene. ARPES measurements showed graphene-like $\pi$ bands after oxidation, corroborating the transition of the 6\sqrt{3} into graphene. Those results indicated that the decoupling effect of the oxygen intercalation is very similar to the well established intercalation by hydrogen. Raman spectroscopy, however, indicated that the oxygen intercalation introduced a large amount of defects in the graphene. The low-temperature treatment promised to be less aggressive to the buffer layer. However, this treatment led to even higher defect densities than the high-temperature treatment. Raman spectroscopy showed that the defects were carbon vacancies with a mean distance between defects of about 7 nm for the high- and about 2 nm for the low-temperature treatment. The mean distance of 2 nm translated to about 1 % missing carbon atoms in the graphene lattice. Next, an alternative approach was studied to oxidize the SiC interface by annealing in water vapor. XPS data showed that the SiC was oxidized even tough it was covered by the 6\sqrt{3} or the 6\sqrt{3} and several graphene layers. Similar to the intercalation of oxygen, the buffer layer was decoupled and transformed into graphene. This transformation was observed by a change of the carbon binding configuration in XPS and in addition by the appearance of graphene-like $\pi$ bands in the ARPES band structure measurements. Raman spectroscopy, however, again indicated an introduction of large defect densities in the buffer layer upon water vapor treatment. The mean distance between defects was determined to be 7 nm, which is similar to the amount of defects introduced by the high-temperature oxygen treatment. Thus, water vapor as an assumedly milder oxidation agent did not improve the quality of the transformed buffer layer. Furthermore, monolayer graphene residing on the 6\sqrt{3} was used as the starting material for the water treatment leading to the formation of quasi-free-standing bilayer graphene. XPS measurements revealed that the process had to be carried out a higher temperatures for a complete decoupling of the 6\sqrt{3} below the graphene layer. Nevertheless, Raman spectroscopy showed no significant amount of defects, indicating that the more inert graphene layer on top protects the underlying 6\sqrt{3}. In addition, the surface was investigated by microscopy using LEEM and PEEM to complement the spectroscopy measurements. The morphology was unchanged by the water vapor treatment. The oxidation of the interface manifested in a change of the work function observed by PEEM. The decoupling of the 6\sqrt{3} and transformation into graphene was also observed in the LEEM reflectivity curves. The commonly accepted interpretation of the LEEM reflectivity curves failed to explain the measured spectra, but the observations support the recent re-interpretation by Feenstra et al. \cite{Feenstra2013prb, Feenstra2013ultra} and Srivastava et al. \cite{Srivastava2013}. Third, the direct growth of quasi-free-standing graphene on the non-polar (11-20) and (1-100) surfaces of hexagonal SiC was investigated. For both surfaces, XPS analyses showed carbon atoms in only two different bonding configurations: the SiC substrate and graphene. These results excluded a strongly bound buffer layer as observed on SiC(0001). LEED and LEEM data demonstrated that the graphene growth on the two surfaces differs substantially. On the SiC(1-100), large rotational disorder was observed and the thickness distribution was difficult to control. On the SiC(11-20), graphene grew without rotation disorder and the graphene coverage was more uniform consisting of larger areas of monolayer graphene. ARPES measurements of graphene on SiC(11-20) showed linear, graphene-like $\pi$ bands and revealed a small n-type doping. Finally, it was possible to decouple and transform the buffer layer into graphene by oxidizing the SiC interface using both oxygen or water vapor intercalation. However, both methods introduced a significant amount of defects. The intercalation of water vapor to oxidize the interface was not considered an improvement over the treatment in pure oxygen gas, as similar high defect densities were created. Nevertheless, annealing monolayer graphene in water vapor led to the formation of quasi-free-standing bilayer graphene with promising properties. The low defect densities rival QFBLG which was obtained by annealing MLG in hydrogen. Preliminarily transport measurements were carried out in this system, which showed promising charge carrier mobilities. Further research could be conducted in the future to pattern field effect devices from water vapor intercalated QFBLG. Thermal decomposition on the non-polar SiC surfaces allowed the direct growth of quasi-free-standing graphene without the need of an additional intercalation step. Especially the growth on SiC(11-20) provided promising results, which should be further improved by optimizing the growing parameters, potentially leading to alternative ways of wafer-scale graphene production. Die außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften von Graphen eröffnen einen zukünftigen Markt für Hochfrequenzbauteile, die auf Graphen basieren und die in der Lage sind effizienter zu arbeiten als bisherige Bauteile aus herkömmlichen Halbleitermaterialien. Das direkte Züchten von Graphen auf SiC Wafern ermöglicht dessen Produktion auf einem isolierenden Substrat und vereinfacht damit die Herstellung, da kein Transferieren der Graphen Schicht auf ein anderes Substrat nötig ist. Somit ist die Graphenzüchtung mittels thermischer Zersetzung von SiC bei hohen Temperaturen als Methode der Wahl anzusehen um Graphen für elektronische Anwendungen herzustellen. Gewöhnlich wird eine, der zwei sich gegenüberliegenden (0001) oder (000-1) Oberflächen von hexagonalem SiC als Substrat genutzt. Dabei handelt es sich zum einen um die SiC(0001) Oberfläche, welche mit Silizium terminiert ist und daher auch Si-Seite genannt wird. Zum anderen wird die mit Kohlenstoff terminierte SiC(000-1) Oberfläche verwendet, die als C-Seite bezeichnet wird. Das Graphenwachstum auf der C-Seite zu kontrollieren ist bisher eine große Herausforderung, da man oft einen dünnen Film aus mehreren Graphenlagen erhält, diese jedoch bei der Herstellung von auf Graphen basierenden Feldeffekt Bauteilen unerwünscht sind. Der Grund dafür ist die Abschirmung durch die äußeren Graphenlagen, welche das elektrische Feld, das durch die Gatespannung induziert wird, abschirmt, sodass die Ladungsträgerkonzentration in den inneren Lagen nicht variiert werden kann. Im Gegensatz dazu veläuft das Graphenwachstum auf der Si-Seite sowohl langsamer wie auch gleichmäßiger, da es von einer Kohlenstoff reichen Rekonstruktion mit $(6\sqrt{3} \times 6\sqrt{3})R\SI{30}{\degree}$ Periodizität bestimmt wird, die sich wie eine Pufferlage zwischen dem SiC Substrat und dem Graphen verhält. Diese Pufferlage, oder im Folgenden kurz 6\sqrt{3} genannt, besitzt ebenfalls die gleiche Honigwabenstruktur wie Graphen, ist jedoch durch ihre kovalente Bindung an das Substrat elektronisch nicht aktiv. Nichtsdestotrotz verringert die 6\sqrt{3} die Beweglichkeit der freien Ladungsträger in den darauf liegenden Graphenlagen und dotiert die Graphenlagen zudem stark. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es Verfahren zu entwickeln, die die Herstellung von epitaktischem Graphen auf SiC verbessern und damit letztendlich eine besser geeignete Möglichkeit zu schaffen das Material für Graphen basierte elektronische Bauteile einzusetzen. Um Graphen ohne eine Pufferlage herzustellen, welche die elektronischen Eigenschaften von Graphen negativ beeinflusst, wurden drei unterschiedliche Herangehensweisen angewendet. Zunächst wurde eine Transformation der Pufferlage zu Graphen mittels der Interkalation von Sauerstoff untersucht. Das Oxidieren der SiC Grenzschicht entkoppelt die 6\sqrt{3} und resultiert in Graphen ohne Pufferlage, welches sich dann auf einer Oxidschicht befindet. Des Weiteren wurde die Oxidation der SiC Grenzschicht auch durch eine Behandlung in Wasserdampf statt in Sauerstoff durchgeführt. Der Wasserdampf versprach dabei zunächst die Graphenlage weniger stark anzugreifen und es dennoch im gleichen Maße zu entkoppeln. Drittens wurde das direkte Wachstum von quasi-freistehendem Graphen ohne Pufferlage demonstriert, indem die unpolaren (1-100) und (11-20) Oberflächen von SiC als Substrat genutzt wurden. Die Interkalation von Sauerstoff wurde hier auf zwei verschiedene Arten durchgeführt: eine Hochtemperaturbehandlung bei 750 °C in einer Sauerstoffatmosphäre mit einem Druck von 1e-4 mbar und in einer Niedertemperaturbehandlung bei 270 °C in einer 200 mbar Sauerstoffatmosphäre. Bei letzterem Ansatz kompensierte der höhere Partialdruck des Sauerstoffs die niedrigere Temperatur, sodass beide Behandlungen die SiC Oberfläche im gleichen Maße oxidierten. Die Analyse mit Hilfe von XPS zeigte, dass eine Oxidation der SiC Grenzfläche stattgefunden hat, wobei die oberste Substratschicht durch Sauerstoffatome terminiert wurde. Die XPS Daten weisen ebenfalls darauf hin, dass die Bindungskonfiguration der Kohlenstoffatome in der Pufferlage durch die Sauerstoffinterkalation verändert wurde. Diese Änderung lässt darauf schließen, dass die 6\sqrt{3} vom Substrat entkoppelt und zu Graphen transformiert wurde. ARPES Messungen zeigten nach der Oxidation graphenartige $\pi$-Bänder, was ebenfalls auf eine Umwandlung der Pufferlage zu Graphen hinweist. Diese Ergebnisse deuten an, dass die Interkalation von Sauerstoff einen ähnlich entkoppelnden Effekt hatte wie die bereits bewährte Interkalation von Wasserstoff. Die Ergebnisse der Raman Spektroskopie zeigten jedoch, dass die Sauerstoffinterkalation eine hohe Defektdichte in das Graphen einbringt. Die für die Pufferlage zunächst weniger aggressiv angenommene Niedertemperaturbehandlung erwies sich bei der Untersuchung mittels Raman Spektroskopie nicht als schonender als die Hochtemperaturbehandlung und erzeugte sogar eine höhere Defektdichte in der Graphenlage. Bei den Defekten handelte es sich um Kohlenstoffleerstellen mit einem mittleren Abstand von etwa 7 nm bei der Hoch- und etwa 2 nm bei der Niedertemperaturbehandlung. Ein mittlerer Abstand von 2 nm entspricht dabei einem Verlust von etwa 1 % der Kohlenstoffatome in der Graphenstruktur. Als nächstes wurde ein alternatives Verfahren untersucht um die SiC Grenzschicht zu oxidieren, dazu wurden die Proben in Wasserdampf angelassen. XPS Messungen zeigten, dass das SiC, auch wenn es von 6\sqrt{3} oder auch 6\sqrt{3} und Graphen bedeckt war, oxidiert wurde. Analog zur Interkalation von Sauerstoff wurde die Pufferlage entkoppelt und es fand eine Transformation zu Graphen statt, was wiederum als Veränderung der Bindungskonfiguration im Kohlenstoff mit Hilfe des XPS und durch die Ausprägung graphenartiger $\pi$-Bänder mittels ARPES beobachtet werden konnte. Raman Spektroskopie Messungen deuteten jedoch daraufhin, dass die entkoppelte Pufferlage ebenfalls eine hohe Dichte von Defekten aufwies, die aufgrund der Wasserdampfbehandlung entstanden sind. Der mittlere Abstand der Defekte wurde auf 7 nm bestimmt, ein Wert, der dem der Hochtemperatur-Sauerstoffbehandlung entspricht. Somit konnte Wasserdampf als vermeintlich schonenderes Oxidationsmittel nicht bestätigt werden, da die Qualität der transformierten Pufferlage nicht verbessert wurde. In einem weiteren Ansatz wurde Monolagengraphen als Ausgansmaterial für die Wasserdampfbehandlung verwendet, was zur Bildung von quasi-freistehendem Bilagengraphen führte. XPS Messungen zeigten, dass eine höhere Prozesstemperatur notwendig war um die von Graphen bedeckte 6\sqrt{3} zu entkoppeln. In diesem Fall waren keine Defekte in signifikantem Ausmaß mit Hilfe von Raman Spektroskopie zu entdecken, ein Indiz dafür, dass die Graphenlage die darunter liegende \srt schützt. Um die spektroskopischen Methoden zu komplementieren wurden ergänzend mikroskopische Untersuchungen mit LEEM und PEEM durchgeführt, welche auf keine Veränderungen der Oberflächenmorphologie durch die Wasserdampfbehandlung hinwiesen. Die Oxidation der SiC Grenzschicht führte zu einer Erhöhung der Austrittsarbeit, die mit PEEM beobachtet werden konnte. Das Entkoppeln der 6\sqrt{3} und deren Umwandlung zu Graphen konnte ebenfalls an Hand der LEEM Reflektionsspektren nachvollzogen werden. Die gemeinhin akzeptierte Interpretation zur Entstehung der Minima in den Reflektionsspektren konnte dabei die hier gemessenen Spektren nicht erklären. Die Ergebnisse unterstützen jedoch eine vor kurzem veröffentlichte Reinterpretation von Feenstra et al. \cite{Feenstra2013prb, Feenstra2013ultra} und Srivastava et al. \cite{Srivastava2013}. Als dritter Themenkomplex wurde das direkte Wachstum von quasi-freistehendem Graphen auf den unpolaren (11-20) und (1-100) Oberflächen von hexagonalem SiC untersucht. Die XPS Analyse zeigte für beide Oberflächen, dass die Kohlenstoffatome nur in zwei verschiedenen Bindungskonfigurationen vorlagen: entweder als SiC Substrat oder als Graphen. Die vorhandene Bindungskonfiguration schließt die Anwesenheit einer stark gebunden Pufferlage, wie sie auf SiC(0001) gebildet wird, aus. LEED und LEEM Messungen zeigten, dass das Graphenwachstum auf den beiden Oberflächen stark voneinander abwich. Auf der SiC(1-100) Oberfläche wurde zum einen eine große Fehlordnung in der Rotation der Graphenlagen zueinander beobachtet und zudem war die Graphenschichtdicke meist ungleichmäßig. Im Gegensatz dazu gab es auf der SiC(11-20) Oberfläche keine Fehlordnung in der Rotation und die Graphenbedeckung war gleichmäßiger und mit größeren Flächen aus Monolagengraphen bedeckt. ARPES Bandstrukturmessungen von Graphen auf SiC(11-20) zeigten lineare, graphenartige $\pi$-Bänder und eine niedrige $n$-Typ Dotierung der Ladungsträger. Zusammenfassend sei also anzumerken, dass die Pufferlage zwar durch die Oxidation der SiC Grenzschicht entkoppelt und zu Graphen transformiert werden konnte, dieser Prozess führte allerdings zur Entstehung einer signifikanten Anzahl von Defekten. Die Oxidation durch Interkalation von Wasserdampf konnte dabei nicht als Verbesserung gegenüber der Interkalation von reinem Sauerstoffgas angesehen werden, da ähnlich hohe Defektdichten entstanden. Das Anlassen von Monolagengraphen in Wasserdampf führte jedoch zu der Bildung von quasi-freistehendem Bilagengraphen mit vielversprechenden Eigenschaften. Die niedrige Defektdichte weist dabei auf eine hohe Qualität hin, die vergleichbar mit QFBLG ist, welches durch Anlassen in Wasserstoff erhalten wurde. Es wurden bereits erste Transportmessungen an diesem System durchgeführt, welche in zukünfigen Studien weiter ausgebaut werden sollten um letztendlich auch Graphen-Feldeffektbauteile aus Wasserdampf interkaliertem QFBLG einsetzen zu können. Die thermische Zersetzung der unpolaren SiC Oberflächen erlaubte das direkte Wachstum von quasi-frei-stehendem Graphen ohne einen zusätzlichen Interkalationsschritt. Vor allem die Züchtung von Graphen auf SiC(11-20) lieferte vielversprechende Ergebnisse. Mit Hilfe einer Optimierung der Züchtungsparameter könnte die Qualität weiter verbessern werden und diese Methode damit eine potentielle, neue Alternative zur Produktion von Graphenwafern darstellen.

Trotz der im Vergleich zu Silizium überragenden elektronischen Eigenschaften von Verbindungshalbleitern, ist die Leistung der daraus gefertigten elektrischen Bauelemente aufgrund der vorhandenen, die elektronischen Materialeigenschaften beeinflussenden Defekte nach wie vor begrenzt. Die vorliegende Arbeit trägt dazu bei, das bestehende ökonomische Interesse an einem besseren Verständnis der die Bauelementeleistung limitierenden Defekte zu befriedigen, indem sie die Auswirkungen dieser Defekte auf die elektronischen und optischen Materialeigenschaften von Indiumphosphid (InP) und Siliziumkarbid (SiC) aufzeigt. Zur Klärung der Effekte finden in der Arbeit sich ergänzende elektrische und optische Charakterisierungsmethoden Anwendung, von denen die meisten kontaktlos und zerstörungsfrei arbeiten und sich daher prinzipiell auch für Routineanalysen eignen. Die erzielten Ergebnisse bestätigen und ergänzen Literaturdaten zum Defektinventar in InP und SiC nutzbringend. So wird insbesondere das Potential der elektrischen Charakterisierung mittels MDP und MD-PICTS, welche in der Arbeit erstmals für die Defektcharakterisierung von InP und SiC eingesetzt wurden, nachgewiesen. Die experimentellen Studien werden dabei bedarfsorientiert durch eine theoretische Betrachtung des entsprechenden Signalentstehungsmechanismuses ergänzt.:1 Motivation 2 Theses 3 Compound semiconductors: structure and benefits 4 Growth of compound semiconductors 5 Structural defects in compound semiconductors 6 Defects and their impact on electronic material properties 7 Effect of annealing treatments on the properties of InP 8 Experimental details 9 Experimental results 10 Summary of the thesis 11 Conclusion and impact 12 Prospect of future work 13 Appendix - Theory of signal development 14 List of tables 15 List of figures 16 List of abbreviations and symbols 17 Eidesstattliche Erklärung - Declaration of academic honesty 18 Danksagung - Acknowledgment 19 Veröffetnlichungen - Publications 20 References Although the electronic properties of compound semiconductors exceed those of Silicon, the performance of respective electronic devices still is limited. This is due to the presence of various growth-induced defects in compound semiconductors. In order to satisfy the economic demand of an improved insight into limiting defects this thesis contributes to a better understanding of material inherent defects in commonly used Indium Phosphide (InP) and Silicon Carbide (SiC) by revealing their effects on electronic and optical material properties. On that account various complementary electrical and optical characterization techniques have been applied to both materials. Most of these techniques are non-contacting and non-destructive. So, in principle they are qualified for routine application. Characterization results that are obtained with these techniques are shown to either confirm published results concerning defects in InP and SiC or beneficially complement them. Thus, in particular the potential of electrical characterization by MDP and MD-PICTS measurements is proofed. Both techniques have been applied for the first time for defect characterization of InP and SiC during these studies. The respective experiments are complemented by a theoretical consideration of the corresponding signal development mechanism in order to develop an explanation approach for occasionally occurring experimental imperfection also arising during silicon characterization from time to time.:1 Motivation 2 Theses 3 Compound semiconductors: structure and benefits 4 Growth of compound semiconductors 5 Structural defects in compound semiconductors 6 Defects and their impact on electronic material properties 7 Effect of annealing treatments on the properties of InP 8 Experimental details 9 Experimental results 10 Summary of the thesis 11 Conclusion and impact 12 Prospect of future work 13 Appendix - Theory of signal development 14 List of tables 15 List of figures 16 List of abbreviations and symbols 17 Eidesstattliche Erklärung - Declaration of academic honesty 18 Danksagung - Acknowledgment 19 Veröffetnlichungen - Publications 20 References

The doping of quasi-freestanding graphene (QFG) on H-terminated, Si-face 6H-, 4H-, and 3C-SiC is studied by angle-resolved photoelectron spectroscopy close to the Dirac point. Using semi-insulating as well as n-type doped substrates we shed light on the contributions to the charge carrier density in QFG caused by (i) the spontaneous polarization of the substrate, and (ii) the band alignment between the substrate and the graphene layer. In this way we provide quantitative support for the previously suggested model of polarization doping of graphene on SiC (Ristein et al 2012 Phys. Rev. Lett. 108 246104).

Die konventionelle Formgebung von Funktionsbauteilen aus Siliciumcarbid (SiC) beschr��nkt sich auf Gussverfahren, z.B. Pulverspritzguss (Powder Injection Moulding, PIM) und Pressverfahren, z.B. hei��isostatisches Pressen (Hot Isostatic Pressing, HIP). W��hrend im Fall von PIM eine Binderphase eingesetzt wird um aus hochtemperaturbest��ndigen SiC Partikeln einen Gr��nteil herzustellen, f��hren bei HIP Temperaturen von bis zu 2000��C und Dr��cke von 100-200 MPa zur Verdichtung und Sinterung des SiC Pulvers. In dieser Arbeit sollte die Nichtoxidkeramik SiC f��r die Verarbeitung in der generativen Fertigung adaptiert werden, dies gilt speziell f��r lithographische Methoden (Stereolithographie). Das fl��ssige Ausgangsmaterial, bestehend aus einer photosensitiven Polymermatrix und SiC Partikeln als F��llstoff, wurde an die Prozessbedingungen angepasst und Pr��f- bzw. Demonstrationsk��rper hergestellt. Mit Hilfe von thermischen Analysen k��nnte ein optimales Entbinderungs- und Sinterprofil gefunden werden um Bauteile bis zu einer Wandst��rke von 10 mm rissfrei herstellen zu k��nnen. Zur Steigerung der relativen Dichte wurden in weiterer Folge Sinteradditive und Infiltrate getestet. Ein anderes generatives Fertigungsverfahren, das selektive Laserschmelzen, bietet den Vorteil das pulverf��rmige Ausgangsmaterial ohne Binderphase direkt, entsprechend dem CAD Modell, zu einem physikalischen Bauteil schichtweise verschmelzen zu k��nnen. Hier sollte neben den bereits kommerziell erh��ltlichen Kunststoff- und Metallpulvern der Bereich der Keramikpulver hinzugef��gt werden. Zu Beginn war es notwendig systematisch die entsprechenden anlagen- und materialspezifischen Anforderungen aufzustellen und ein Bewertungsschema zu entwickeln. Anhand dieser Selektion wurden danach Versuche durchgef��hrt um das Schmelz- und Erstarrungsverhalten zu untersuchen. Schrittweise wurden so Parameters��tze f��r die ausgew��hlten, keramischen Werkstoffe ermittelt und dokumentiert. Neben rein-keramischen Pulvern wurden auch binderbasierte Varianten untersucht, hierzu wurde Polyamid 12 verwendet um Gr��nk��rper herzustellen. Die Energiedichte des Laserstrahls wurde durch eine Strahlaufweitung und Laserleistungsreduktion durch Aufschmelzversuche auf den Binder eingestellt. Eine Bindermodifikation, die Beigabe von Industrieru�� (Carbon Black), erm��glichte auch die erfolgreiche Verarbeitung von Oxidkeramikpulvern. Durch die Optimierung der Parameter konnte f��r die binderbasierten Keramikpulver im SLM Verfahren und f��r die Nichtoxidkeramik SiC im SLA Verfahren stabile Prozesse zur Herstellung von Bauteilen realisiert werden., Conventional fabrication methods for silicon carbide (SiC) parts comprises on moulding techniques, like powder injection moulding (PIM), pressing techniques, like hot isostatic pressing (HIP) and solid state sintering (SSiC). While in case of PIM a binding phase is used to bond the high temperature resistive SiC particles and form green parts, the HIP technique use temperatures up to 2000��C and pressures from 100 - 200 MPa for densification. The aim of this thesis is the implementation of SiC in two different Additive Manufacturing Methods (AMTs), especially in the field of lithographic methods, like stereolithography. The ceramic slurry, which is used in such lithographic processes, contains a photosensitive polymeric resin filled with SiC particles. In a first step the slurry-properties were optimized for the structuring process to fabricate green parts with a layer thickness of 25 ��m. By means of thermal analysis optimal debinding and sintering parameters have been found and porous SiC structures reproducible manufactured without any cracks or other defects (up to a probe diameter of 10 mm). In order to increase the density of the SiC parts different sintering aids and infiltrants were tested. Another AMT method, selective laser melting (SLM), offers advantages in terms of reduced process time. The powder-based material can be transferred into a 3-dimensional part without the need of a binding phase. Solutions for metal or polymer powders are already on the market - this work supports the basic understanding of the requirements for the adaption of ceramic materials in SLM. At the beginning a material screening routine identified relevant process and material properties and that supports the decision making process in terms of the material suitability. After that melting experiments and structuring tests were made in order to get optimal process parameters. Beside pure-ceramic powders also binding-based options were tested. For the fabrication of green parts a thermoplastic, polyamide 12, was used. By reducing the energy density (laser beam broadening, laser power reduction) and melting experiments the SLM machine (EOSINT M280, designed for metal powders) could been used also for structuring polyamide 12. By improving the parameters highly stable manufacturing processes for binding-based SiC in SLM and SLA could have been realized.

Si3N4-SiC-MoSi2-Komposite werden aufgrund ihrer hohen Oxidationsbeständigkeit als Heizleiterwerkstoff eingesetzt. Der Artikel beleuchtet die Möglichkeiten den elektrischen Widerstand der Si3N4-SiC-MoSi2-Komposite gezielt einzustellen. Mit dem Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren können aus einer elektrisch isolierenden und einer elektrisch leitfähigen Komponente komplexe Bauteile wie Glühkerzen gefertigt werden, deren Funktionsfähigkeit anhand erreichbarer Glühtemperaturen und Aufheizraten demonstriert wird.

Ill., graph. Darst.

Silicon carbide is a well characterised material with many applications. It has excellent electro-optical properties such as high charge carrier mobility, large optical band gap and high conductivity. Silicon carbide can also be easily n-doped as well as p-doped and is therefore an interesting candidate for use in silicon based thin film solar cells. Due to material compatibility, silicon carbide deposition must be performed at low temperatures. Since 2008 p-type hydrogenated microcrystalline silicon carbide layers (µc-SiC:H) have been deposited in Forschungszentrum Jülich at temperatures below 400°C. Macroscopic analysis was done to determine its structural and electro-optical properties and has revealed a non-consistent behavior with partly contradictory results. In this thesis aluminum doped p-type µc-SiC:H layers were investigated in detail using nanoscopic methods such as transmission electron microscopy and electron energy loss spectroscopy. The results show a typical microstructure of columnar crystallite growth with a high defect density and voids between the grains. The crystalline volume fraction remains constant as the aluminum concentration is increased but a reduction in grain size as well as a change in composition is observed. Parallel investigation of the volume plasmons reveals a shift of the volume plasmon energy to lower energies with higher aluminum concentration. With density functional theory the energy shift could be explained as an effect of atomic lattice strain. A plasmon energy shift was also observed along individual µc-SiC:H layers. This implies an inhomogeneous lattice strain along the growth direction with the strain strongest close to the substrate interface. Even at grain interfaces observations showed a higher strain than in the centre of the grains. Further it is shown in this thesis that annealing of the layers leads to a local increase of the degree of order on the nanoscale whereas the microstructure and relative strain development along individual layers remains constant. Also a successful extraction of the dielectric function from experimental electron energy loss spectra is shown and discussed in this thesis and found to have a good agreement with optical reference data.

We have investigated the plasmon dispersion in quasi-free-standing monolayer graphene (QFMLG) and epitaxial monolayer graphene (MLG) layers by means of angle resolved electron energy loss spectroscopy. We have shown that various intrinsic p-and n-doping levels in QFMLG and MLG, respectively, do not lead to different overall slopes of the sheet plasmon dispersion, contrary to theoretical predictions. Only the coupling of the plasmon to single particle interband transitions becomes obvious in the plasmon dispersion by characteristic points of inflections, which coincide with the location of the Fermi level above or below the Dirac point. Further evidence is given by thermal treatment of the QFML graphene layer with gradual desorption of intercalated hydrogen, which shifts the chemical potential toward the Dirac point. From a detailed analysis of the plasmon dispersion, we deduce that the interaction strength between the plasmon and the electron-hole pair excitation is increased by about 30% in QFMLG compared to MLG, which is attributed to a modified dielectric environment of the graphene film. DFG/Graphene/1459

Atomistic simulations on silicon carbide precipitation in bulk silicon employing both, classical potential and first-principles methods are presented. The calculations aim at a comprehensive, microscopic understanding of the precipitation mechanism in the context of controversial discussions in the literature. For the quantum-mechanical treatment, basic processes assumed in the precipitation process are calculated in feasible systems of small size. The migration mechanism of a carbon interstitial and silicon self-interstitial in otherwise defect-free silicon are investigated using density functional theory calculations. The influence of a nearby vacancy, another carbon interstitial and a substitutional defect as well as a silicon self-interstitial has been investigated systematically. Interactions of various combinations of defects have been characterized including a couple of selected migration pathways within these configurations. Most of the investigated pairs of defects tend to agglomerate allowing for a reduction in strain. The formation of structures involving strong carbon-carbon bonds turns out to be very unlikely. In contrast, substitutional carbon occurs in all probability. A long range capture radius has been observed for pairs of interstitial carbon as well as interstitial carbon and vacancies. A rather small capture radius is predicted for substitutional carbon and silicon self-interstitials. Initial assumptions regarding the precipitation mechanism of silicon carbide in bulk silicon are established and conformability to experimental findings is discussed. Furthermore, results of the accurate first-principles calculations on defects and carbon diffusion in silicon are compared to results of classical potential simulations revealing significant limitations of the latter method. An approach to work around this problem is proposed. Finally, results of the classical potential molecular dynamics simulations of large systems are examined, which reinforce previous assumptions and give further insight into basic processes involved in the silicon carbide transition. In der vorliegenden Arbeit werden atomistische Simulationen zum Ausscheidungsvorgang von Siliziumcarbid in Silizium mittels klassischen Potentialen und der ab initio Methode vorgestellt. Die Berechnungen zielen auf ein umfassendes, mikroskopisches Verständnis des in der Literatur kontrovers diskutierten Ausscheidungsvorgangs ab. In quantenmechanischen Rechnungen werden Prozesse, die für den Ausscheidungsvorgang als grundlegende Mechanismen angenommen werden, in Systemen mit zugänglicher Größe untersucht. Der Migrationspfad eines Kohlenstoff und Silizium Zwischengitteratoms in ansonsten defektfreien Silizium werden mit Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen untersucht. Der Einfluss einer nahegelegenen Leerstelle, eines weiteren Kohlenstoff und Silizium Zwischengitteratoms sowie eines substitutionellen Kohlenstoffdefekts wird systematisch bestimmt. Die Wechselwirkungen der verschiedensten Defektkombinationen einschließlich einiger ausgewählter Migrationspfade zwischen einzelnen dieser Konfigurationen werden charakterisiert. Eine Vielzahl der untersuchten Defektpaare neigen unter Abbau von Gitterspannungen dazu, sich anzuhäufen. Die Ausbildung von Strukturen mit starken Kohlenstoff-Kohlenstoff Bindungen stellt sich als unwahrscheinlich heraus. Im Gegensatz dazu tritt substitutioneller Kohlenstoff mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit auf. Für Paare aus Kohlenstoff Zwischengitteratomen ist ein langreichweitiger Einfangradius erkennbar, genauso wie zwischen Leerstelle und Kohlenstoff Zwischengitteratom. Ein dagegen kleiner Einfangradius wird für Kohlenstoff und Silizium Zwischengitterdefekte vorhergesagt. Erste Annahmen zum Ausscheidungsvorgang von Siliziumcarbid in Silizium werden getätigt und mit experimentellen Befunden in Einklang gebracht. Weiterhin werden die präzisen ab initio Rechnungen zu den Defektkonfigurationen und der Kohlenstoffdiffusion in Silizium mit Ergebnissen der Rechnungen unter Verwendung des klassischen Potentials verglichen und damit erhebliche Einschränkungen letztgenannter Methode enthüllt. Daraufhin wird ein möglicher Ansatz zum Übergehen der Einschränkungen diskutiert. Schließlich werden dann die Ergebnisse der molekulardynamischen Simulationen auf Basis des klassischen Potentials und angewendet auf große Systeme untersucht, welche die vorhergehenden Annahmen bestätigen und darüber hinaus weitere Erkenntnisse über die grundlegenden, an der Transformation zu Siliziumcarbid beteiligten Mechanismen, geben.

Ill., graph. Darst.

This thesis deals with the microstructure of thin films. Silicon-based material applied in photovoltaics is characterized in terms of structural order and disorder. Results on the “medium range order” (MRO) of hydrogenated amorphous silicon obtained by Raman spectroscopy shows correlations with X-ray diffraction data. Applying this material as an absorber layer of a solar cell, it is prone to light-induced degradation leading to a decrease in efficiency after prolonged illumination (Staebler-Wronski effect). The experimental results show that this degradation is reduced for material with higher MRO. Considering the point that the structural order of the material is high enough to observe small crystallites, it can be characterized by its crystalline volume fraction Xc. An increase of Xc together with the correlation lengths of the surrounding amorphous phase can not only be found near this transitional region but also up to Xc = 80%. Xc itself can be obtained using X-ray diffraction and Raman spectroscopy. For the latter however, the scattering cross section depends on the excitation wavelength so that for example Xc is underestimated for 10% at 647nm without appropriate correction. In contrast, using 488nm as the excitation wavelength, a good agreement with X-ray diffraction is obtained so that no correction is necessary. While the absorption coefficient varies with the excitation wavelength, one has to keep in mind that the probed volume also changes. This however, enables a depth-resolved measurement of Xc. A sufficient depth resolution is essential to probe the homogeneity in the growth direction while a homogeneous absorber layer can have a positive influence on the solar cell performance. However, using Raman spectroscopy at different wavelengths or X-ray diffraction at different incident angles, the result is always a complicated average of the probed volume. This thesis presents two further methods to determine a depth-resolved Xc. On the one hand, a special etching procedure is introduced that enables to record Raman spectra in different etching depths. On the other hand, it is possible to characterize the crystalline volume fraction during the deposition using in-situ Raman spectroscopy. This method additionally allows for a process control as the deposition parameters can be changed in order to obtain the desired values for Xc. For the deposition of absorber layers in microcrystalline silicon solar cells, the range of desired values of Xc is around 55%-70%. Beyond this, it is often claimed in the literature that a preferred orientation of crystallites in [110]-direction is important for highly efficient solar cells. Using X-ray diffraction and transmission electron microscopy, it is shown in this thesis that highly efficient solar cells can also be obtained without a significant texture questioning the claims of literature. Crystalline silicon carbide shows various properties that are desirable for the window layer in solar cells. Thin films of microcrystalline silicon carbide were already applied in silicon-based thin film solar cells, but only few is known about its microstructure. In contrast to microcrystalline silicon, the investigated samples to not consist of a mixture of an amorphous and a crystalline phase. In fact, they are either crystalline or amorphous within measurement accuracy. A parameter that is often used in the literature to characterize Xc, could instead be correlated to stress within the structural lattice. In this highly crystalline material, lattice defects play an essential role. An evaluation of X-ray diffraction data shows variations of the crystallite size and the degree of texture with the applied deposition pressure. In detail, the resulting lattice defects correlate with the near infrared absorption due to free charge carriers and with the electrical conductivity. As a consequence, the obtained results show correlations between the electronic properties and the microstructure of the material.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Hall-Effekt-Messungen an 3C-SiC Substratmaterial durchgeführt. Weiterhin wurden 4H-SiC Epitaxieschichten im Hinblick auf intrinsische Punktdefekte mittels DLTS untersucht. An 3C-SiC pn-Dioden wurde die Sperr-Kennlinie temperaturabhängig gemessen und ein Modell für einen Leckstrom- Mechanismus entworfen. Außerdem wurde der Einfluss unterschiedlich eingebrachten Stickstoffs auf die Passivierung von Zuständen an der SiC/SiO2-Grenzfläche von n- Kanal 4H-SiC MOSFETs untersucht. Dazu wurden Hall-Effekt-Messungen an N2O-oxidierten und an überoxidierten N/Al-coimplantierten MOSFETs durchgeführt. In the framework of this thesis Hall-effect measurements on 3C-SiC substrate material have been conducted. Furthermore 4H-SiC epitaxial layers have been characterized with respect to intrinsic point defects by means of Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS). Temperature dependent IV-characteristics of 3C-SiC pn-diodes have been conducted and a model for a mechanism of the generation of leakage current by thermally-assisted tunneling has been developed. The influence of differently incorporated nitrogen for the passivation of states at the SiC/SiO2-interface was investigated. Therefore Hall-effect measurements on N2O-oxidized and on overoxidized N/Al-coimplanted MOSFETs have been performed.

The exceptional electronic properties of graphene, a single atomic layer of bulk graphite, have been theoretically discussed for a long time. In 2004, the discovery of simple ways to produce small graphene samples has led to the realization of its potential for both fundamental physics and applications in nanoelectronics. One of the most promising routes towards a large-scale production of graphene is the graphitization of SiC crystals. The main focus in the present thesis as a multidisciplinary surface science study is directed to the investigation of epitaxially grown graphene on SiC(0001), the Si-terminated basal plane surface of SiC. A few considerations are also devoted to epitaxial graphene on the C-terminated counterpart, SiC(000-1), and to non-basal plane surfaces. Apart from the precise knowledge about the growth conditions and the basic properties of epitaxial graphene, the main results of this thesis concern the successful manipulation of epitaxial graphene on SiC(0001) in terms of technological relevance. On the one hand, surface transfer hole doping allows to compensate the negative charge carriers that are intrinsically present after the graphene growth. On the other hand, the intercalation of hydrogen additionally results in a decoupling from the SiC-substrate and consequently leads to quasi-freestanding graphene on the scale of SiC wafers. This technique sets a new standard in the production of high quality epitaxial graphene. Die außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften von Graphen, einer einzelnen Kohlenstofflage graphitartiger Struktur, werden schon seit Langem theoretisch diskutiert. Mit der Entdeckung im Jahr 2004, kleine Graphenproben auf eine einfache Art und Weise herzustellen, wurde das entsprechende Potential sowohl für die Grundlagenphysik als auch für Anwendungen in der Nanoelektronik weithin sichtbar. Eine der vielversprechendsten Methoden für eine großtechnische Herstellung von Graphen ist die Graphitisierung von SiC-Kristallen. Der Schwerpunkt in der vorliegenden Dissertation als eine multidisziplinär angelegte Arbeit in den Oberflächenwissenschaften liegt auf der Untersuchung epitaktisch gewachsener Graphen-Lagen auf SiC(0001), der Si-terminierten Basal-Oberfläche von SiC. Jedoch wird auch der Fall epitaktischen Graphens auf der C-terminierten Gegenseite, SiC(000-1), sowie auf nicht-basalen Oberflächen kurz beleuchtet. Abgesehen von den genauen Kenntnissen der Wachstumsbedingungen und der grundlegenden Charakteristika epitaktischen Graphens liegen die Hauptergebnisse dieser Doktorarbeit in der hinsichtlich technologischer Anforderungen erfolgreichen Manipulierung der Eigenschaften von epitaktischem Graphen auf der SiC(0001)-Oberfläche. Zum einen kann mittels Oberflächen-Transferdotierung die nach dem Graphen-Wachstum vorhandene Konzentration an negativ geladenen Ladungsträgern minimiert werden. Zum anderen führt die Interkalation von Wasserstoff zusätzlich zu einer Entkopplung des Graphens vom SiC-Substrat und damit zu quasi-freistehenden Graphenlagen auf der Größenskala von SiC-Wafern. Diese Methode setzt neue Maßstäbe in der Herstellung hochqualitativen epitaktischen Graphens.