Einfluss magnetischer Fe-Cluster auf die Supraleitung von Nb(110). - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen magnetischen Eisen-Clustern verschiedener Größe und Form mit einer Nb(110)-Probe wurde mit einem Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskop unter Ultrahochvakuum-Bedingungen durchgeführt. Dabei wurden sowohl strukturelle als auch spektroskopische Besonderheiten entdeckt. Es konnte gezeigt werden, dass sich die reine Kristalloberfläche aufgrund einer speziellen sauerstoffinduzierten Rekonstruktion dazu eignet, längliche Cluster durch epitaktisches Wachstum von Eisen herzustellen. Die Erhöhung der Bedeckung bei gleichzeitiger Steigerung der Bedampfungstemperatur löst eine auffällige Veränderung der NbO(111)/Nb(110)-Oberfläche aus. Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die spektroskopische Analyse der vorhandenen Strukturen. Bemerkenswert ist der Einfluss der kleinsten Cluster. Durch das Vorhandensein von Yu-Shiba-Rusinov-Zuständen treten imposante Deformationen der Bardeen-Cooper-Schrieffer-Zustandslücke auf. Des Weiteren konnte anhand von asymmetrischen Spektren ein Bezug zur Kopplungsstärke der atomaren Strukturen zu den Cooper-Paaren des Supraleiters gefunden werden. Die größeren, linearen und zweidimensionalen Eisen-Cluster zeigen dagegen nahezu keine Veränderung der supraleitenden Lücke. Zusätzlich werden sowohl orts- als auch magnetfeldabhängige Messungen der BCS-Lücke einschließlich der teilweise darin auftretenden gebundenen Zustände präsentiert.
Oberflächensensitive Untersuchungen an Arsen-terminierten Halbleiter (100)-Oberflächen. - Ilmenau. - 38 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Da fossile Energieträger durch ihre Begrenztheit und ihre schädliche Wirkung auf die Umwelt keine nachhaltige Energieversorgung darstellen und die menschliche Zivilisation durch die Verursachung des Klimawandels langfristig bedrohen, ist ein Umdenken in der Art der Energieversorgung dringend nötig. Gleiches gilt für die konventionelle Atomenergie, welche ebenfalls nur begrenzt auf diesem Planeten zur Verfügung steht. Des Weiteren kann es bei dieser jederzeit zu einem GAU (größter anzunehmender Unfall, wie in Tschernobyl oder Fukushima) kommen. Soll der Energiebedarf der Menschheit auf nachhaltigere und weniger umweltschädliche Weise gedeckt werden, ist man auf erneuerbare Energien, wie Windkraft, Photovoltaik, etc. angewiesen. Die Konkurrenzfähigkeit von Photovoltaikanlagen hängt entscheidend vom Wirkungsgrad der verbauten Zellen ab. Möchte man den Wirkungsgrad einer Solarzelle verbessern, so ist man bei konventionellen Zellen mit nur einem Absorber und ohne Konzentration des Lichtes, durch das Shockley-Queisser-Limit auf ca. 30 % begrenzt. Um Zellen mit höheren Wirkungsgraden zu erreichen, ist es z.B. möglich, Halbleiter mit unterschiedlichen Bandlücken monolithisch zu kombinieren, also Heterostrukturen zu verwenden. Dabei wird durch die unteren Teilzellen ein größerer Teil des Spektrums genutzt, während bei den oberen eine niedrigere Thermalisierung (also die Umwandlung der Photonenenergie, welche über die der Bandlücke hinaus geht, in Wärme) auftritt. Ein möglicher Ansatz basiert auf einer Heterostruktur aus Silizium mit einer Bandlücke von EG = 1,1 eV und einer Gitterkonstante von [alpha] = 5,43 Å und Galliumphosphid (EG = 2,25 eV, [alpha] = 5,45 Å), da beide eine sehr ähnliche Gitterkonstanten haben. Im Idealfall sollte die Topzelle eines Tandems mit Si als Unterzelle allerdings eine Bandlücke von ca. 1,7 eV aufweisen, so dass zum Beispiel GaAsP geeignet wäre, wobei das anfängliche GaP als Pufferschicht dienen kann, auf der ein gradierter Puffer mit steigendem Arsengehalt aufgewachsen werden kann. Die Vorteile von Silizium als Substrat sind unter anderem ein vergleichsweise günstiger Preis, gute Verfügbarkeit und dass es bereits gut erforscht ist. Es kann vorteilhaft sein, das Substrat zunächst mit einer Arsenschicht zu terminieren. Dadurch lassen sich auf dem Si-Substrat Doppelstufen (die man für die III-V-Heteroepitaxie benötigt) bei einer niedrigeren Temperatur erzeugen, als bei der typischerweise bei MOCVD-Präparation verwendeten Wasserstoffterminierung. Dadurch lassen sich Prozessdauer und -temperatur reduzieren. Zudem lässt sich in dem für die Abscheidung von GaAsP genutzten MOCVD-Reaktor ein Arsenhintergrund kaum vermeiden. Daher ist eine kontrollierte Terminierung durch eine Arsenschicht sinnvoller, als unkontrollierte Arsenverunreinigungen in Kauf nehmen zu müssen. Für eine kontrollierte Arsen-Terminierung der Oberfläche ist ein genaues Verständnis dieses Prozesses sehr wichtig. Insbesondere ist von Interesse, welche Bindungen die Oberflächenatome eingehen und welche Stufen auf der Probe vorhanden sind. STM-Messungen zeigten, dass die Oberflächenatome Dimere ausbilden und ließen aufgrund asymmetrischer Struktur weiterhin vermuten, dass es sich um As-Si-Dimere handeln könnte. Dies sollte nun genauer untersucht werden. Eine Arsenterminierung von Ge(100)-Oberflächen, welche bereits als Substrat für effizientere Solarzellen etabliert ist, hat sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, da sich die Probeneigenschaften je nach Arsenquelle sehr präzise einstellen lassen. In dieser Arbeit werden mithilfe von STM-Messungen arsenterminierte Si(100)-Oberflächen mit einer Fehlorientierung von 0,1˚ und arsenterminierte Ge(100)-Oberflächen mit einer Fehlorientierung von 6˚ auf ihre atomare Struktur hin untersucht.
Feedback in optischen Mikrokavitäten. - Ilmenau. - 25 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Feedback- und Kopplungsverhalten zweier Resonatoren (Shortegg) in Abhängigkeit des Abstandes sowie der Orientierung und der Position (Winkel) veranschaulicht durch den Gütefaktor und die Energiedichte.
XPS-Untersuchungen an den ionischen Flüssigkeiten C1C2Im[Tf2N] und Py14[Tf2N] in Verbindung mit Li-Salz und einem zwitterionischen Salz und deren Bulk-Leitfähigkeit. - Ilmenau. - 69 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Im Falle von Lithium-Ionen-Batterien ist es möglich, drei Komponenten zu verbessern - die Anode, die Kathode und den Elektrolyten. In dieser Masterarbeit wurden Elektrolyten untersucht, die als Basis ionische Flüssigkeiten besitzen. Zusätzlich wurde zur Verbesserung der Leitfähigkeit ein sogenanntes zwitterionisches Salz hinzugefügt. Die Leitfähigkeit wurde mit elektrostatischer Impedanzspektroskopie bestimmt und diskutiert. Das Hauptaugenmerk der Arbeit liegt auf der Oberflächenzusammensetzung der Elektrolyten. Diese wurde mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) ermittelt. Diese Messmethode ist sehr oberflächensensitiv und findet in einem Ultra-Hoch-Vakuum statt. Flüssigkeiten sind in der Regel von solchen Untersuchungen ausgeschlossen, doch der geringe Dampfdruck der ionischen Flüssigkeiten machen sie zu einem interessanten Forschungszweig. Das zwitterionischen Salz hat in Abhängigkeit von der verwendeten ionischen Flüssigkeit in Bezug auf die Oberfläche unterschiedliche Auswirkungen.
Shallow moist Rayleigh-Bénard convection in a conditionally unstable layer. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Wolkenprozesse stellen die größte Unsicherheit für zuverlässigere Klimavorhersagen dar. Da globale Klimamodelle nicht alle Skalen auflösen können, ist die Parametrisierung dieser unaufgelösten Prozesse von zentralem Interesse. Besonders cloud system-resolving models, d.h. numerische Simulationen, die Wolkenbildungsprozesse auf der Mesoskala auflösen, sollen eine Möglichkeit bieten solche Parametrisierungen direkt an ein Klimamodell zu liefern. Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der numerischen Implementierung eines Feuchtkonvektionsmodells, um den Einfluss von Wasserdampf auf die Atmosphäre zu studieren. Das Modell basiert auf einer idealisierten Thermodynamik nahe der Phasengrenze, die es erlaubt mesoskalige Wolkenbildungsprozesse in der unteren Atmosphäre zu untersuchen. Besonders der Fall der bedingten Instabilität ist dabei von Interesse, der vorliegt, wenn ungesättigte Luft stabil und gesättigte Luft instabil geschichtet ist. Direkte numerische Simulationen zeigen eine lokalisierte Wolkenbildung, die in manchen Fällen zu einer Gruppierung von Wolken führen kann. Des Weiteren wird ein 'reservoir computing' Modell (auch bekannt als 'echo state network'), ein Maschinenlernalgorithmus auf der Basis eines rekurrenten neuralen Netzwerken, für eine mögliche Wolkenparametrisierung untersucht.
Application of ellipsometry for investigation of phosphide based structures for solar water splitting. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Die Phosphid-Strukturen für solare Wasserspaltung wurden in dieser Arbeit untersucht. Das Ziel ist die zeitaufgelöste spektroskopische Ellipsometrie anzuwenden, um ultraschnelle Prozesse in Halbleitern und Halbleitern mit Polymerbeschichtungen für solare Wasserspaltung nachzuweisen. Die von dem zeitaufgelösten spektroskopischen Ellipsometrie-Aufbau gemessene Daten wurden analysiert. Die erste Probe war GaP, das als Elektroden für photoelektrochemische Zellen verwendet sein kann. Die zweite und die dritte Probe waren GaP mit 2 verschiedenen Polymerbeschichtungen - PEI und PEI+PSS, die als Schutzbeschichtungen für PEC verwendet sein können. Es wurden ultraschnelle Prozesse in GaP und der Einfluss von Polymer auf die Absorptionseigenschaften den Halbleitern mithilfe der ellipsometrischen Spektren mit Femtosekunden Zeitauflösung untersucht. Die Ergebnisse für GaP Probe zeigten Interbandübergänge an [Gamma] Punkt der Brillouin Zone bei 2,74 eV und 2,84 eV, an L bei 3,6 eV, und Intrabandübergänge im Leitungsband bei 2,8 eV. Die Proben mit Polymerbeschichtung wurden mit niedrigem Absorptionsgrad bei hohen Energien charakterisiert, mit höherem Absorptionsgrad bei 2,8 eV, sowie eine zusätzliche Absorption bei 2 eV. Das Absorptionsmaximum ging bei den Proben mit Polymerbeschichtung schneller zurück.
Untersuchung des Gefrierverhaltens zweier Salzlösungen mittels Tieftemperatur-NMR-Spektroskopie. - Ilmenau. - 85 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
In dieser Bachelorarbeit wurde das Gefrierverhalten eines Natriumchlorid (NaCl)-Wasser-Systems und eines Natriumperchlorat (NaClO4)-Wasser-Systems ohne weitere Bestandteile des Marsbodens mittels Tieftemperatur NMR-Spektroskopie untersucht. Dabei sollte außerdem getestet werden, ob Hydratwasser mittels NMR-Messungen von flüssigem Wasser unterschieden werden kann, welche Relaxationszeiten Hydratwasser besitzt und ob NMR-Diffusionsmessungen mit leichten NMR-Spektrometern realisiert werden könnten. Unterstützend wurden zusätzlich dynamische Wärmestrom-Differenzkalorimetrie Messungen durchgeführt (kurz DWDK, engl. heat flux differential calorimetry, kurz. DSC). Aufbauend darauf kann in Zukunft schrittweise die Anzahl der beteiligten Ionen erhöht werden, bis ein voll verstandenes Bild des Wasserverhalten im Marsboden entsteht. Bei den durchgeführten DWDK-Messungen bestätigten die Erwärmungskurven sowohl das Phasendiagramm des NaCl-Wasser-Systems als auch das des NaClO4-Wasser-Systems mit einer Temperaturabweichung von ±3˚C bis ±4˚C. Aufgrund starker Unterkühlungseffekte konnten die Gefrierkurven nicht sinnvoll eingesetzt werden, um die Phasendiagramme zu überprüfen. Zusätzlich verhinderte die Unterkühlung das Vermessen hoher Salzkonzentrationen über 50wt% im NaClO4-System. Die NMR-Messungen konnten die berechneten Phasendiagramme für alle gemessenen Konzentrationen in beiden Salzsystemen im Rahmen der Messunsicherheiten belegen. Die Messungen der absoluten Intensitäten, T1- und T2-Zeiten erwiesen sich als sehr geeignete Methoden, um Phasenübergange in Salz-Wasser-Lösungen zu identifizieren. Vor allem die T2-Zeiten reagieren sehr sensibel auf Zustandsänderungen. Bei vollständig gefrorenen Proben traten mehrere technische Grenzen des eingesetzten, auf flüssige Proben ausgelegten Sondenkopfs zu Tage. Zum Einen war der Frequenzbereich des Anregungspuls zu eng, um alle H-Kerne in hydrierten Salzkristallen anzuregen. Zum Anderen wurde wegen deren sehr kurzen T2-Zeiten ein Großteil ihres Signals durch die Totzeit des Sondenkopfs von 10s nicht aufgenommen. Dies führte dazu, dass das Hintergrundsignal alle anderen Signale stark überlagerte und keine T1- oder T2-Zeiten dieser Kerne bestimmt werden konnten. Außerdem wurde dadurch die Ermittlung des Abstandes der Pake-Peaks sehr ungenau. Die T1-Messungen in hochkonzentrierten NaClO4-Lösungen, in denen sich die Wassermoleküle nur noch in hydrierten Salzkristallen befinden sollten, deuten auf eine relativ hohe Beweglichkeit der Wassermoleküle in den Kristallen bei Raumtemperatur hin. Auch hier reduzieren die technischen Limits die Aussagekraft der Messergebnisse. Die Durchführbarkeit von NMR-Diffusionsmessungen mit leichten NMR-Spektrometern konnte für Wassermoleküle in der flüssigen Phase auch bei sehr tiefen Temperaturen die Umsetzbarkeit bestätigt werden. Eine Abschätzung für Wassermoleküle in hydrierten Salzkristallen konnte nicht getroffen werden, da keine T1- oder T2-Zeiten aufgenommen werden konnten.
NMR-Untersuchungen der Wasser- und Proteindynamik im hyalinen Knorpel bei tiefen Temperaturen. - Ilmenau. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Knorpelgewebe besteht zum Großteil aus Wasser, welches in die Komponente des "reien" und des oberflächengebundenen Wassers eingeteilt werden kann. Um diese Komponenten selektiv zu beeinflussen und anschließend zu untersuchen, dienen Methoden wie das Gefrieren oder das Ersetzen der vorhandenen Wassermoleküle durch deuterierte Wassermoleküle. In dieser Bachelorarbeit wurden im Temperaturbereich zwischen 15 ˚C und -50 ˚C die Relaxationszeiten T1 und T2 sowie Spektren des hyalinen Rinderknorpels mittels Kernspinspektroskopie (kurz NMR-Spektroskopie) gemessen. Zusätzlich wurden einige Wassermoleküle zweier Knorpelproben durch deuterierte Wassermoleküle ersetzt. Aus den Messungen konnten Aussagen über die Dynamik der Wasser- und Proteinmoleküle im hyalinen Knorpel getroffen und das Modell der verschiedenen Wasserkomponenten bestätigt werden.
ESR-Untersuchungen an Bodenproben zur Quantifizierung von Metallgehalt und Ölkontamination. - Ilmenau. - 71 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
In dieser Bachelorarbeit wurden mittels ESR (Elektronenspinresonanz) verschiedene Bodenproben hinsichtlich ihres Metallgehalts untersucht. Weiterhin wurden ein paar dieser Bodenproben mit Öl kontaminiert, um die Auswirkungen auf die Spektren zu untersuchen. Dazu wurden alle Proben in Kapillaren mit 2mm Durchmesser präpariert und mit einem ESR-Spektrometer gemessen. In den Spektren wurde die Lage verschiedener Signale betrachtet und mit Angaben aus der Literatur verglichen. Dazu mussten die g-Faktoren der Signale berechnet werden. Die Metallgehalte wurden anhand der Doppelintegrale der Signale aus den gemessenen Spektren berechnet und miteinander verglichen. Zur Untersuchung der Ölkontamination wurden ausgewählte Böden mit verschiedenen Ölkonzentrationen kontaminiert. Aus der Analyse der Spektren wurden Nachweisgrenzen für Öl in Böden ermittelt. Weiterhin wurden die Anzahlen der Spins der Ölsignale berechnet und mit theoretischen Werten verglichen.
Statistische Eigenschaften des effektiven Potentials im Rahmen der Lokalisationslandschafts-Theorie für zufällig verteilte Potentiale. - Ilmenau. - 43 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Die Lokalisation stehender Wellen ist ein interessantes Phänomen, welches in vielen physikalischen Systemen auftritt. Dazu zählen unter anderem quantenmechanische, optische oder auch mechanische Systeme. Anderson-Lokalisierung ist eine ihrer bekanntesten Ausprägungen und tritt bei zufällig inhomogenen Medien in komplexen Geometrien unter bestimmten Bedingungen auf. Die von Mayboroda et al. [1] kürzlich eingeführte Lokalisationslandschaft u bietet eine neue Möglichkeit Lokalisation in solchen Potentialen zu finden. Genauer gesagt können Minima, welche in dem effektiven Potential u-1 auftauchen, dem Grundzustand oder anderen Zuständen niedriger Energie zugeordnet werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden numerische statistische Aussagen über das effektive Potential bei zufälligen korrelierten und unkorrelierten Potentialen gewonnen, welche zusammen mit analytischen Modellen ein konsistentes Bild zeichnen. Dabei soll insbesondere auf die Korrelation als auch auf die Verteilung von Minima und Maxima dieses Potentials eingegangen werden. Zudem wird gezeigt, dass niederenergetische Zustände sich näherungsweise aus einer Weichzeichnung des Potentials konstruieren lassen, wodurch ein besserer Einblick in die Lokalisation innerhalb von Zufallspotentialen ermöglicht wird.