Technische Universität Ilmenau

Physik in reduzierten Dimensionen - Modultafeln der TU Ilmenau

Die Modultafeln sind ein Informationsangebot zu den Studiengängen der TU Ilmenau.

Die rechtsverbindlichen Studienpläne entnehmen Sie bitte den jeweiligen Studien- und Prüfungsordnungen (Anlage Studienplan).

Alle Angaben zu geplanten Lehrveranstaltungen finden Sie im elektronischen Vorlesungsverzeichnis.

Informationen und Handreichungen zur Pflege von Modulbeschreibungen durch die Modulverantwortlichen finden Sie unter Modulpflege.

Hinweise zu fehlenden oder fehlerhaften Modulbeschreibungen senden Sie bitte direkt an modulkatalog@tu-ilmenau.de.

Modulinformationen zu Modulnummer 200471 - allgemeine Informationen
Modulnummer200471
FakultätFakultät für Mathematik und Naturwissenschaften
Fachgebietsnummer2424 (Experimentalphysik I)
Modulverantwortliche(r)Prof. Dr. Jörg Kröger
SpracheDeutsch/Englisch
TurnusWintersemester
Vorkenntnisse

Experimentalphysik 1-4, Festkörperphysik 1, Techniken der Oberflächenphysik, Theoretische Physik (Mechanik, Elektrodynamik, Quantenmechanik, Statistische Physik)

Lernergebnisse und erworbene Kompetenzen

Physics of Surfaces and Interfaces (V2, Ü1)

Educational objective, competence: The students obtain a solid background in basic concepts of surface and interface physics. Lecture and problem class enable the students to independently work in the field of surface and interface science and, ideally, to identify new open questions.The lecture is dedicated to prepare the participants for research in surface and interface physics.

Mesoscopic Physics: From Transport to Quantum Chaos (V2)

Educational objective, competence: The students have insight into the physical phenomena occurring in two-dimensional mesoscopic systems of different nature ranging from electronic mesoscopic systems such as quantum dots, via complex optical systems and mesoscopic optics to graphene. By the course the gap from basic knowledge to nowadays cutting-edge research fields and questions is bridged The students are familar with the theoretical description and tools that complement the experimental point of view of the other lectures in this module.

Spectroscopic Diagnostic Methods (V2)

Lernergebnisse:

Die Studenten kennen nach dieser VL moderne Methoden der Charakterisierung von Oberflächen und Dünnschichteigenschaften. Dadurch haben sie ein tiefes Verständnis für die physikalischen und experimentellen Voraussetzungen der spektroskopischen Diagnosemethoden. Sie kennen Gemeinsamkeiten und Unterschiede verschiedener Methoden und Ansätze in Bezug auf die Untersuchung struktureller und stoffbedingter Eigenschaften. Sie können zudem die jeweiligen Möglichkeiten und Grenzen diskutieren. Die Studenten sind dadurch in der Lage, einige dieser Methoden auf konkrete Fragestellungen anzuwenden und die für auftretende Herausforderungen in der Oberflächenanalytik jeweils am besten geeignete Technik auszuwählen und komplementäre Methoden voneinander abzugrenzen.

Scanning Probe Methods (V2)

Educational objective, competence: The students have detailed insight into modern scanning tunnelling and atomic force microscopy. By the lecture students should be able to identify the experimental challenges and to appreciate the rich physics of state-of-the-art experiments. By the lecture the participants are prepaired for research in surface and interface physics using scanning tunnelling and atomic force microcopes.

Fachkompetenz: Die Studierenden vermögen, aktuelle Forschung zum Thema des Moduls zu verstehen und idealerweise neue Probleme zu erkennen.

Methodenkompetenz: Die Studierenden sind in der Lage, sowohl mit experimentellen als auch theoretisch Methoden neuartige Forschungsfragen zu beantworten.

Sozialkompetenz: Die Vorlesungen und Übungen vermittelten die Fähigkeit, unterschiedliche Auffassungen zum Thema des Moduls zu akzeptieren und anzuerkennen. Neben dem Vertreten der eigenen Überzeugung sind die Studenten auch in der Lage, andere Meinungen zuzulassen und im Kontext ihre eigene zu hinterfragen.

Stufen der Lernergebnisse:

(1) Es wurden Vorkenntnisse aufgefrischt, vertieft und größere Zusammenhänge erkannt.

(2) Das Verständnis neuer Sachverhalte wurde durch Veranschaulichungen und den Vergleich mit Modellen geschult und vertieft.

(3) Das eigenständige Lösen von experimentellen und theoretischen Herausforderungen wurde durch die aktive Teilnahme an den Übungen gefördert.

(4) Die Fähigkeit zur Analyse wurde durch komplexe Übungsaufgaben erweitert.

(5) Die Lernenden sind in der Lage, eigene und fremde Ergebnisse zu beurteilen.

(6) Es wurde die Fähigkeit erworben, Projekte experimenteller oder theoretischer Natur eigenständig zu planen und Lösungsstrategien zu entwickeln.

Inhalt

Das Modul stellt die reichhaltige Physik in reduzierten Dimensionen vor.   Experimentelle und theoretische Aspekte werden gleichermaßen berücksichtigt.   Das Modul trägt der modernen Entwicklung zu miniaturisierten Bauelementen, molekularer Elektronik, der Ausnutzung des Spin-Freiheitsgrades beim Elektronentransport und zu topologischen Materialien Rechnung.

Es werden die folgenden Vorlesungen auf Wunsch in englischer Sprache angeboten:

.Physics of Surfaces and Interfaces (V2, Ü1)

. Mesoscopic Physics: From Transport to Quantum Physics (V2)

. Spectroscopic Dignostic Methods (V2)

. Scanning Probe Methods (V2)

Die Modulprüfung umfasst verpflichtend die Vorlesung Physics of Surfaces and Interfaces sowie wahlweise eine der übrigen Vorlesungen.

Physics of Surfaces and Interfaces (V2, Ü1)

Educational objective, competence: The students obtain a solid background in basic concepts of surface and interface physics. Lecture and problem class enable the students to independently work in the field of surface and interface science and, ideally, to identify new open questions.The lecture is dedicated to prepare the participants for research in surface and interface physics.

Previous knowledge: Experimental Physics, Solid State Physics, Quantum Physics

Contents: Surfaces and interfaces represent archetypical quasi-two-dimensional objects and offer the unique opportunity to study the rich physics of two-dimensional systems, both experimentally and theoretically. The lecture emphasizes the solid-state-physics and, thus, quantum physical aspect of surfaces and interfaces. Dynamics of electrons will be discussed in terms of Shockley surface state dispersion and conductance quantization for transport across one-dimensional constrictions in two-dimensional electron gases. The experimental realization of quasi-two-dimensional electron gases will be explored in detail. Phonons, plasmons and polaritons are examples for vibrations whose dispersion in reduced dimensions deviates from the behaviour in three dimensions. Modern topics such as magnetism and superconductivity of thin films, clusters and atomic wires will be treated as well as topological materials. The lectures are complemented by a problem class.

Media: Black board, computer presentation

Textbooks: H. Ibach, Physics of Surfaces and Interfaces (Springer, 2006); M. Prutton, Introduction to Surface Physics (Oxford, 2002); A. Zangwill, Physics at surfaces (Cambridge University Press, 1998); H. Lüth, Surfaces and interfaces of sold materials (Springer, 1995); M. Henzler, W. Göpel, Oberflächenphysik des Festkörpers (Teubner, 1994); G. Ertl, J. Küppers, Low energy electrons and surface chemistry (Verlag Chemie, 1974); D.J. O'Connor et al., Surface analysis methods in materials science (Springer, 2003); K. Oura et al., Surface science (Springer, 2003); H. Kuzmany, Solid-State Spectroscopy (Springer, 1998); D.P. Woodruff, T.A. Delchar, Modern techniques of surface science (Cambridge University Press, 1994); A. Groß, Theoretical Surface Science (Springer, 2009); F. Bechstedt, Principles of Surfaces Physics (Springer, 2003); M.C. Desjonquères, D. Spanjaard, Concepts in surface physics (Springer, 1996); S.G. Davison, M. Steslicka, Basic Theory of Surface States (Clarendon, 1996)

Mesoscopic Physics: From Transport to Quantum Chaos (V2)

Educational objective, competence: The students gain insight into the physical phenomena occurring in two-dimensional mesoscopic systems of different nature ranging from electronic mesoscopic systems such as quantum dots, via complex optical systems and mesoscopic optics to graphene. The course will bridge the gap from basic knowledge to nowadays cutting-edge research fields and questions. It will focus on the theoretical description and tools that complement the experimental point of view of the other lectures in this modul.

Previous Knowledge: BSc in Physics, Technical Physics or similar, lecture PSI or similar

Contents:

- electronic mesoscopic systems (quantum dots) and transport properties, Landauer-Büttiker formalism

- geometry dependence of quantum transport, quantum chaos and role of nonlinear dynamics

- Graphene, tight-binding description, edge states and consequences

- topological effects in mesoscopic systems, Aharonov-Bohm effect, Berry and geometric phases

- mesoscopic optics: microdisk laser, sensor applications, arrays of resonant elements

- optical microcavities as model systems for quantum chaos in open systems

- semiclassical physics, in particular wave-inspired corrections to the ray model

Media: Black board, computer presentation, textbooks/ journal articles

Textbooks: E. Akkermans and G. Montambaux, Mesoscopic Physics of Electrons and Photons (Cambridge University Press 2007); Y. Imry, Introduction to mesoscopic physics (Oxford University Press 1997); H.-J. Stöckmann, Quantum Chaos - an introduction (Cambridge University Press 2000), K. Nakamura and T. Harayama, Quantum Chaos and Quantum Dots (Oxford University Press 2004).

Spectroscopic Diagnostic Methods (V2)

Lernergebnisse:

Die Studenten lernen in dieser VL moderne Methoden der Charakterisierung von Oberflächen und Dünnschichteigenschaften kennen. Dabei wird neben der Darstellung der physikalischen und experimentellen Voraussetzungen, Wert auf Gemeinsamkeiten und Unterschiede verschiedener Methoden und Ansätze in Bezug auf die Untersuchung struktureller und stoffbedingter Eigenschaften gelegt, sowie die jeweiligen Möglichkeiten und Grenzen diskutiert. Die Studenten werden dadurch in die Lage versetzt, einige dieser Methoden auf konkrete Fragestellungen anzuwenden und die für auftretende Herausforderungen in der Oberflächenanalytik jeweils am besten geeignete Technik auszuwählen und komplementäre Methoden voneinander abzugrenzen.

Vorkenntnisse: Elektrodynamik, Atomphysik, Festkörperphysik

 

Inhalt:

Elektronenspektroskopie für die Element- und Bindungsanalyse

Untersuchung elektronischer Eigenschaften durch Photonenanregung oder durch Anregung mit metastabilen Sondenteilchen

Schwingungsspektroskopie an Grenz- und Oberflächen

Aufklärung der Struktur und Stöchiometrie durch Spektroskopie und Streuexperimente mit Ionen und Neutralteilchen

Massenspektrometrie für Desoptionsexperimente und Ionenabtrag

Optische Spektroskopie an Oberflächen

 

Medienformen:

Tafel, Folien, Beamer, Bereitstellung von Folien zur Vorlesung

 

Literatur:

K. Oura et al., Surface Science - an introduction, Springer; A. Zangwill, Physics at surfaces, Cambridge Univ. Press; H. Lüth, Surfaces and Interfaces of Solid Materials, Springer; M. Henzler und W. Göpel, Oberflächenphysik des Festkörpers, Teubner; W. Mönch, Semiconductor Surfaces and Interfaces, Springer; G. Ertl, J. Küppers, Low Energy Electrons and Surface Chemistry, VCH;

G. Friedbacher,H. Bubert,H. Jenett, Surface and Thin Film Analysis: A Compendium of Principles, Instrumentation and Applications, Wiley; D.P. Woodruff, Modern techniques of surface science, Cambridge Univ. Press; J.C. Vickerman, The surface analysis: the principal techniques, Wiley; S. Hüfner, Photoelectron spectroscopy : principles and applications, Springer; M. Cardona, L. Ley, Photoemission in solids, Springer; D. Briggs, J.T. Grant , Surface analysis by Auger and X-ray photoelectron spectroscopy, IM Publications; M. Grasserbauer, H.J. Dudek, M.F. Ebel, Angewandte Oberflächenanalyse mit SIMS, AES und XPS, Akademie-Verlag Berlin; H. Ibach, D. L. Mills, Electron Energy Loss Spectroscopy and Surface Vibrations, Academic Press, London; G. Ertl, J. Küppers, Low Energy Electrons and Surface Chemistry, VCH Publishers

 

Scanning Probe Methods (V2)

Educational objective, competence: The students obtain detailed insight into modern scanning tunnelling and atomic force microscopy. The lecture enables students to identify the experimental challenges and to appreciate the rich physics of state-of-the-art experiments.The lecture is dedicated to prepare the participants for research in surface and interface physics using scanning tunnelling and atomic force microcopes.

Previous knowledge: Experimental Physics, Solid State Physics, Quantum Physics

Contents: The lecture treats the working principle of scanning tunnelling and atomic force microscopes. Experimental aspects, such as positioning of the probe by piezoceramic actuators, vibration damping, low-noise electronics, feedback control and lock-in technique are scrutinized. The physics of tunnelling will be applied to the tip-surface junction resulting in Bardeen's tunnelling matrix element, the one-dimensional model of Simmons and the important Tersoff-Hamann approximation to the tip density of states. Experimental examples of state-of-the-art instruments include imaging with atomic resolution and magnetic contrast, manipulation of matter at the atomic scale and the spectroscopy of the local density of states, single-molecule vibrational quanta, single-atom spin excitations, lattice vibrations as well as luminescence emitted from a single molecule.

Media: Black board, computer presentation

Textbooks: R. Wiesendanger: Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy (Cambridge University Press, 1998); J. A. Stroscio, W. J. Kaiser (Ed.): Scanning Tunneling Microscopy (Academic Press, 1993); C. J. Chen: Introduction to Scanning Tunneling Microscopy (Oxford University Press, 2008); D. Sarid: Scanning Force Microscopy (Oxford University Press, 1994); H. J. Güntherodt, R. Wiesendanger (Ed.): Scanning Tunneling Microscopy I, II, III (Springer, 1991); C. Bai: Scanning Tunneling Microscopy and its Application (Springer, 1992); E. L. Wolf: Principles of Electron Tunneling Spectroscopy (Oxford University Press, 1989); B. Voigtländer: Scanning Probe Microscopy (Springer, 2015); R. Reifenberger: Fundamentals of Atomic Force Microscopy (World Scientific, 2016)

Medienformen und technische Anforderungen bei Lehr- und Abschlussleistungen in elektronischer Form

siehe Inhalt

Literatur

siehe Inhalt

Lehrevaluation
Spezifik Referenzmodul
ModulnamePhysik in reduzierten Dimensionen
Prüfungsnummer2400823
Leistungspunkte11
SWS9 (8 V, 1 Ü, 0 P)
Anzahl Semester2 Liste der SWS-Verteilungen
Präsenzstudium (h)101.25
Selbststudium (h)228.75
VerpflichtungPflichtmodul
Abschlussmündliche Prüfungsleistung, 60 Minuten
Details zum Abschluss
Alternative Abschlussform aufgrund verordneter Corona-Maßnahmen inkl. technischer Voraussetzungen

Abschlussleistung in Distanz entsprechend §6a PStO-AB

Anmeldemodalitäten für alternative PL oder SL
max. Teilnehmerzahl