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Höhn, Fabian Johannes;
Oberflächenuntersuchungen von Gorilla V1 Flachglas. - Ilmenau. - 66 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2024

Glassubstrate stellen eine gute Möglichkeit für die Minitarisierung von Elektrooptischen Systemen dar. Dabei werden die optoelektronischen Systeme direkt in eine Glasplatte integriert. Durch Ionenaustausch fertig man Mirkowellenleiter, welche dann das optische System bilden. Mikrorisse sind ein entscheidender Faktor, wenn es um die mechanische Stabilität von Bauteilen geht. Diese können ein in eine Glasplatte integriertes optoelektronisches System negativ beeinflussen. In dieser Arbeit werden Flachgläser des Typs Gorilla V1 auf Mikrorisse mit einem AFM untersucht. Dazu wurden zunächst AFM-Messungen auf unbehandelten Proben durchgeführt. Da es durch den Herstellungsprozess der integrierten Systeme zu Zugspannungen an der Oberfläche kommen kann, wurden auch Proben untersucht, welche mittels eines Dreipunktverfahren gespannt wurden. Zudem wurde auch die Oberfläche einer mit Silberionenaustausch behandelten Probe, welcher den ersten Herstellungsschritt darstellt, mit AFM auf Mikrorisse untersucht. Um die Qualität der Messungen sicher zustellen ist das AFM vorher getested worden. Abschließend wurde die Topographie der Oberflächen der verschiedenen Proben untereinander verglichen, sowie eine XPS-Tiefenprofilmessung durchgeführt.



Seiberl, Celine;
Aufbau und Inbetriebnahme eines Demonstrationsversuches zur Rasterkraftmikroskopie. - Ilmenau. - 99 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023

Die Rasterkraftmikroskopie ist besonders in der Oberflächenphysik nicht mehr wegzudenken. Mit diesem Verfahren ist es möglich, die Oberflächenstruktur und -eigenschaften einer Probe, mithilfe einer mikroskopischen Spitze, abzubilden. Hierbei gibt es verschiedene Betriebsmodi, wobei die Frequenzmodulations-Rasterkraftmikroskopie (FM-AFM) eine davon ist. Das Besondere an der FM-AFM ist, dass die Messspitze an einem Cantilever befestigt wird. Der Cantilever kann hierbei ein Federbalken oder einer piezokeramischen Stimmgabel sein. Dieser schwingt kontinuierlich in seiner Eigenfrequenz und erhält eine Frequenzverschiebung, sobald die Spitze mit der Oberfläche wechselwirkt. Diese Frequenzverschiebung ist das Messsignal, aus dem Rückschlüsse auf die Struktur der Probenoberfläche gezogen werden. Um diese Messmethode den Studierenden näherzubringen, wurde ein Modell entworfen, mit dem die Frequenzmodulierende-Rasterkraftmikroskopie veranschaulicht wird. Damit der Bau des Modells nachverfolgt und gegebenenfalls nachgebaut werden kann, wird in dieser Arbeit der Entwurf, der Zusammenbau und die Inbetriebnahme genauer erläutert. Im Anschluss daran wird zu einer Messreihe die Auswertung betrachtet.



Yang, Hongfei;
Light-induced deposition of Rh on III/V semiconductors and investigation of its photoelectrochemical properties for water splitting. - Ilmenau. - 92 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

In dieser Arbeit wird die lichtinduzierte Abscheidung von Rhodium auf der AlInP-Oberfläche und deren anschließende Auswirkung auf die photoelektrochemischen Eigenschaften der Wasserspaltung untersucht. Die Rhodiumabscheidung wurde durch eine einfache und kontrollierbare lichtinduzierte elektrochemische Methode nach der Oberflächenbehandlung erreicht. Die Rhodium-deponierten Proben wurden mit einer Reihe von analytischen Techniken charakterisiert, darunter Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie. Die Analysen bestätigten die erfolgreiche Abscheidung von Rhodium auf der Oberfläche. Anschließend wurden die photoelektrochemischen Eigenschaften der Rhodium-deponierten Proben unter simulierter Sonnenbestrahlung bewertet. Die Wasserspaltungsleistung wurde durch Chronoamperometrie-Messungen bewertet. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten eine verbesserte photoelektrochemische Aktivität und Stabilität in Anwesenheit von Rhodium. Unter AM 1.5G-Beleuchtung wurde eine Solar-zu-Wasserstoff-Umwandlungseffizienz von bis zu 15 % erreicht.



Junghans, Kira;
Synchronization of switching orbital memory on black phosphorus and the effect of magnetic fields on artificially created quantum wells on InSb(110). - Ilmenau. - 84 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

In den Experimenten der vorliegenden Arbeit werden einzelne adsorbierte Atome auf Halbleiteroberflächen mithilfe Rastertunnelmikroskopie (STM) und -spektroskopie (STS) untersucht. Die Arbeit besteht aus zwei Teilen: Im ersten Teil wird das Phänomen des sogenannten "orbital memory" in verschiedenen Bereichen erforscht. "Orbital memory" bezieht sich auf die Eigenschaft von Eisen und Cobalt Atomen, welche je zwei stabile Besetzungszustände der Elektronenorbitale aufweisen, wenn sie auf der Oberfläche von schwarzem Phosphor, adsorbiert sind. Die Zustände können durch Messung des Tunnelstroms erkannt werden. Legt man eine Tunnelspannung zwischen STM Spitze und Probe an, welche einen Schwellenwert überschreitet, wird stochastisches Wechseln zwischen den Zuständen induziert. Die statistischen Lebensdauern der einzelnen Zustände hängt dabei stark von der angelegten Tunnelspannung ab. Weiterhin werden Experimente mit modulierter Tunnelspannung durch eine Wechselspannungskomponente durchgeführt und es wird gezeigt, dass die Lebensdauern in diesem Fall durch den Verlauf der Lebensdauern im Fall einer Gleichspannung bestimmt wird. Der Bereich, um welchen die Spannung im Wechselspannungsexperiment moduliert wird, ist dabei entscheidend. Im zweiten Teil liegt der Fokus auf dem System adsorbierter Caesium-Atome (Cs) auf der Oberfläche von Indiumantimonid (InSb) in der (110) Richtung. Durch Abgabe von Valenzelektronen der Atome wird ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG), lokalisiert an der Halbleiteroberfläche, erzeugt. Bei Anlegen eines Magnetfeldes senkrecht zur Oberfläche wird Landau-Quantisierung beobachtet und die entstehenden Landau-Niveaus für verschiedene Stärken des Magnetfeldes mit früheren Experimenten aus der Literatur verglichen. Weiterhin wurde kürzlich in einer Publikation gezeigt, dass eine Ringstruktur aus angeordneten Cs Atomen Anzeichen eines atomaren Zustands zeigen, welcher in den hier beschriebenen Experimenten reproduziert wird. Im angelegten Magnetfeld wird eine Aufspaltung des Zustands beobachtet, welches dem Zeeman-Effekt zugeordnet werden kann und die Anwesenheit ungepaarter Elektronenspins, eingeschlossen im Potential der Struktur, impliziert. Mit steigender Magnetfeldstärke senkrecht zur Probe verläuft die Aufspaltung nichtlinear, was mit der Theorie der Fock-Darwin Zustände in Verbindung gebracht wird.



Wieboldt, Rieke;
NMR-Untersuchung der Trocknung von Salzlösungen in Böden. - Ilmenau. - 48 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023

Das Trocknungsverhalten von Böden hat sowohl landwirtschaftliche, als auch ökologische Relevanz und ist bereits in verschiedenen Studien untersucht worden. Die landwirtschaftliche und ökologische Relevanz ergibt sich vor allem mit Blick auf dürre Gegenden mit wenig und sehr unregelmäßigem Regenfall. Wie gut der Boden Wasser aufnehmen und umverteilen kann und wie lange es dauert, bis das Wasser wieder verdunstet, ist daher von Interesse. Zusätzlich gibt es vor allem in Regionen um das Mittelmeer eine deutliche Versalzung des Bodens. Die Ursachen dieser Versalzung können sowohl natürlichen, wie auch anthropogenen Ursprungs sein. Durch Verwitterung können Salze im Wasser gelöst werden, genauso wie sie aus Grund- oder Regenwasser stammen können. Hinzu kommen Salze, die durch Düngemittel oder Wasser, das der Bewässerung dienen soll, in den Boden gelangen. Versalzung ist vor allem für die Pflanzenwelt ein großes Problem, da es schwieriger für sie ist, das benötigte Wasser aus dem Boden zu ziehen und so an Nährstoffe zu gelangen. Zukünftig könnte dieses Thema durchaus noch relevanter werden, da der fortschreitende Klimawandel und das damit einhergehende Extremwetter die Versalzung von Böden begünstigt. In dieser Arbeit wird untersucht, ob sich bei Zugabe von Salzen zu drei verschiedenen Böden unter Laborbedingungen Änderungen im Trocknungsverlauf zeigen. Bei den hier verwendeten Böden handelt es sich um drei Sande mit verschiedenen Schluffanteilen. Die beobachteten Trocknungsprozesse sind anschließend mit existierenden mathematischen Modellen zu vergleichen. Außerdem wird zusätzlich noch die transversale Relaxationszeit während der Trocknung gemessen und der Verlauf bei Vorhandensein der unterschiedlichen Salze, sowie bei reinem Wasser miteinander verglichen. Bei den hier durchgeführten Messungen wird ein unilaterales NMR-Messgerät verwendet, dieses hat zum einen den Vorteil, dass die Probe in mehreren Schichten vermessen werden kann, zum anderen handelt es sich bei dem Messaufbau um ein offenes System. In diesem Fall beschränkt sich die Probe also nicht auf ein Röhrchen mit begrenztem Volumen, sondern es handelt sich um einen in einer Petrischale befindlichen Boden, der in ständigem Austausch mit der Umgebungsluft steht.



Waldmann, Jannis;
Optimizing particle cooling using reservoir computing. - Ilmenau. - 43 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023

Die Anwendung von maschinellem Lernen zur Verbesserung physikalisch-orientierter Probleme ist eine zunehmend verwendete Herangehensweise in der heutigen Forschung. Reservoir Computing hingegen ist eine eher unkonventionelle Methodik des maschinellen Lernens und hat in der Vergangenheit gute Ergebnisse in der Vorhersage von Zeitreihen oder zeitabhängigen Prozessen gezeigt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Streumatrix-Zeitreihe vorherzusagen und herauszustellen, ob man Reservoir Computing zur Unterstützung eines Algorithmus für die Kühlung von Vielteilchensystemen – unter der Benutzung komplexer Lichtfelder – verwenden kann. Die Aufgabe der Zeitreihen-Vorhersage von Streumatrizen soll charakterisiert werden und dabei wird besondere Aufmerksamkeit auf die Anwendung im Kühlalgorithmus gerichtet. Die Arbeit an diesem Thema wurde mit einem Halbleiter- laserverstärker (SOA) als diskretes time-multiplexed Reservoir mit einer internen Delay-Schleife in einem Setup mit zusätzlichen Delay-Schleifen – in Input und Output – durchgeführt. Weiter wurde die mögliche Anwendung im Kühlalgorithmus überprüft, indem potentielle Kühlzustände berechnet wurden, die zeigen, ob im ersten Iterationsschritt des Kühlalgorithmus gekühlt werden kann. Die Resultate zeigen, dass die Vorhersage einer Streumatrix-Zeitreihe für ein Vielteilchensystem möglich ist und diese Vorhersage auch im ersten Schritt der Kühlung genutzt werden kann. Weitere Arbeit an diesem Thema kann bezüglich der Kühlzustände und der Analyse der Streumatrix-Zeitreihe geleistet werden. Dafür können insbesondere verschiedene Methoden des maschinellen Lernens als auch eine veränderte Zusammensetzung des Inputs für das Reservoir getestet werden.



Wittig, Artur;
Ab initio Molekulardynamik-Simulationen der Protonenbeweglichkeit in chemisch modifizierten solid acids. - Ilmenau. - 43 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023

In dieser Arbeit wurde die Protonenbeweglichkeit in zwei solid acid Systemen mittels ab initio Molekulardynamik-Simulation untersucht. Die Simulationen wurden mit CP2K durchgeführt. Beide Systeme sind chemische Modifikationen bekannter solid acids. Zum einen Cäsiumdihydrogenphosphat (CDP) mit der Zusammensetzung CsH2PO4, zum anderen Cäsiumhydrogensulfat (CSH) mit der Zusammensetzung CsHSO4. In einem System wurden die Cs-Ionen durch Protonen ersetzt. Das andere System ist eine Mischung, die zu gleichen Teilen die Oxoanionen H2PO4- aus CDP und HSO4- aus CSH in der crystallinen Phase enthält. Der Protontransfer findet in solid acids durch den Grotthuss Mechanismus, der sich in zwei Teile zerlegen lässt, statt. Zum einen in die Rotationszeiten der Anionen und zum anderen in die Sprungraten der Protonen. Es ist bekannt, dass bei CDP die Rotationszeiten der Anionen und bei CSH die Protonsprungraten der limitierende Faktor für den Protonentransport sind. Die resultierende Protonenbeweglichkeit wird unter Berücksichtigung der simulierten Rotationszeiten der Anionen und der Sprungraten der Protonen diskutiert. So können Trends identifiziert werden, die zum besseren Verständnis der Auswirkungen von chemischen Modifikationen auf die Protonenbeweglichkeit sowie der zielgerichteten Beeinflussung der Rotatonszeiten und Sprungraten für den Bau besserer Protonenleiter beitragen.



Johne, Patrick;
Charakterisierung der photoelektrochemischen Eigenschaften von GaAsP-basierten Nanodrahtstrukturen. - Ilmenau. - 85 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Der Einsatz von Galliumarsenidphosphid-basierten Nanodrähten für die photoelektrochemische Wasserspaltung liefert diverse Vorteile gegenüber planaren Strukturen und anderen Materialien. Eine bestehende Herausforderung ist jedoch die mangelhafte Korrosionsresistenz, welche die Lebensdauer der Photoelektroden drastisch reduziert. In dieser Arbeit wurde der Einfluss schützender Passivierungsschichten in Form von Kern-Hülle-Strukturen auf die photoelektrochemischen Eigenschaften und die Korrosionsresistenz der Nanodraht-Photoelektroden untersucht. Zu diesem Zweck wurden auf Galliumarsenid-Substrat gewachsene Galliumarsenidphosphid-Nanodrähte mit unterschiedlichen Kern- und Hüllenzusammensetzungen sowie Hüllendicken mithilfe von Linear Sweep Voltammetry und Chronoamperometrie sowie durch Untersuchungen mit einem Rasterelektronenmikroskop charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen eine starke Abhängigkeit der Korrosionsresistenz von der Kristallqualität, wobei Nanodraht-Kerne mit größerer Gitterfehlanpassung zum Substrat eine deutlich höhere Defektdichte aufwiesen. Das Hüllenwachstum verstärkte die negativen Auswirkungen auf die Materialqualität. Hohe Defektdichten wirkten sich neben der Korrosion auch negativ auf die Photostromdichte der Elektroden aus. Die mangelhafte Reproduzierbarkeit der Referenzmessungen mit dem verwendeten Galliumarsenid-Substrat mindert die Belastbarkeit der gewonnenen Ergebnisse. Die Ergebnisse zeigen, dass die Materialqualität einen fundamentalen Einfluss auf die photoelektrochemische Beständigkeit der Nanodrähte und deren passivierenden Hüllen sowie auf die Leistungsfähigkeit der gesamten Photoelektroden besitzt.



Bolz, Julian;
Geordnetes Wachstum von GaAs-Nanodrähten zur photoelektrochemischen Wasserspaltung. - Ilmenau. - 101Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Die vorliegende Arbeit thematisiert die Herstellung von Galliumarsenid-Nanodrähten zur Anwendung der photoelektrochemischen Wasserspaltung. Das Ziel besteht hierbei darin die Nanodrähte in einer geordneten Struktur zu wachsen, um die Absorptionseigenschaften zu optimieren. Dazu findet eine dünne Aluminiummaske (UTAM) Anwendung, mittels derer Goldpartikel in homogenen Abständen auf einem Galliumarsenid-Substrat mit (111)-Oberfläche abgeschieden werden. Diese Goldpartikel induzieren im Rahmen der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) katalytisch das Wachstum der Nanodrähte. Bisherige Untersuchungen haben allerdings gezeigt, dass sich die Position der Partikel während eines vorbereitenden Prozesses zum Nanodrahtwachstum drastisch verändern kann. Diesem Verhalten wird mit einem zusätzlichen Schritt, dem sogenannten Pre-Annealing, entgegengewirkt. Mit Hilfe von Rasterelektronenaufnahmen wurden Modelle zur Bewegung der Goldpartikel während der einzelnen Prozessschritte entwickelt, die ein tiefgreifenderes Verständnis der Abläufe vermitteln. Die Sockelstruktur, welche die Goldpartikel während des Pre-Annealings bilden, weist verschiedene Formen auf und konnte als entscheidende Rolle bei der Bewegung der Partikel identifiziert werden. In daran anknüpfenden photoelektrochemischen Messungen wurde der Einfluss der geordneten Nanodrähte auf die Wasserstofferzeugung untersucht. Jedoch war es nicht möglich stabile Messbedingungen herzustellen, was vermutlich eine Folge der hohen Dotierkonzentration von Nanodrähten und Substrat im Bereich 10^19 cm^−3 und daraus resultierender Degeneration der Halbleiter ist.



Bohlemann, Chris Yannic;
Oberflächensensitive Untersuchungen von Arsen-terminierten Silizium(100)-Oberflächen. - Ilmenau. - 92 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Für das Aufwachsen von III-V-Halbleiterstrukturen auf Silizium ist ein defektfreier, gitterangepasster Übergang von großer Bedeutung. Um diesen zu erreichen, bedarf es einer Doppelstufenstruktur auf der Siliziumoberfläche, die u.a. mit Hilfe einer Arsen-Terminierung erreicht werden kann. In dieser Arbeit wurde die Arsen-terminierte Silizium(100)-Oberfläche mit Hilfe von zwei unterschiedlichen Präparationsmethoden durch Metallorganische Gasphasenepitaxie hergestellt und unter Anwendung verschiedener zerstörungsfreier Oberflächencharakterisierungsmethoden analysiert. Diese umfassen die in situ Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie, die Fourier-transformierte Infrarotspektroskopie unter Nutzung spezieller ATR-Probenkristalle, die Röntgenphotoelektronenspektroskopie und die Beugung nierderenergetischer Elektronen. Die Proben verblieben dabei stets im Ultrahochvakuum. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit den für diese Arbeit angefertigten Simulationen der Oberfläche durch A. Flötotto verglichen. Damit war es möglich, eine zuvor unbekannte Dimer-Struktur eindeutig für beide Präparationswege nachzuweisen. Des Weiteren konnten Hinweise auf eine Diffusion des Arsens in die Oberfläche sowie auf die Ordnung der Dimere entlang der Dimerreihen gefunden werden.