Studienabschlussarbeiten

Die Berechnung elektronischer Eigenschaften, wie z.B. der Bandstruktur oder optischer Absorptionsspektren, ist von großer Bedeutung in der Festkörperphysik. Die Photovoltaik ist nur eines von vielen Beispielen, bei denen es grundlegend ist die elektronischen Eigenschaften zu kennen um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es die Qualität von GW Rechnungen an Molekülen zu zeigen. Dies wurde bisher kaum ausgeführt und bildet das Fundament für zukünftige und umfangreichere Rechnungen im Bereich der organischen Photovoltaik. Zu diesem Zweck wurden die Anregungsspektren der DNA/ RNA Nukleobasen (Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin und Uracil) berechnet, da dies einerseits von großem fundamentalem Interesse ist und andererseits viele hochwertige quantenchemische Referenzdaten zur Verfügung stehen. Die erhaltenen Ergebnisse stimmen nicht nur hervorragend mit den quantenchemischen Daten überein, darüber hinaus wird für Cytosin und Uracil noch eine Verschiebung der Energieniveaus beobachtet, die über den aus der Festkörperphysik bekannten Scissoroperator hinausgeht. Zudem wurde die Elektron-Phonon-Kopplung im Buckminsterfulleren C60 betrachtet, denn die Größe dieser Wechselwirkung ist ein wichtiger Baustein vieler physikalischer Modelle, wie z. B. der BCS-Theorie, welche elementar für die Erklärung der Supraleitung ist. Während Dichtefunktionaltheorie (DFT) nicht zur Beschreibung dieser Größe geeignet ist, da zum einen die Ergebnisse, die ab initio mit DFT-LDA erhalten wurden, weit unter den experimentellen Werten liegen und da zum anderen DFT-B3lyp zwar akzeptable Werte liefert jedoch dabei der Anteil an exaktem Austausch im B3lyp-Funktional angepasst wurde um die experimentellen Ergebnisse zu reproduzieren, liefert die GW Methode Ergebnisse, die sehr gut mit den experimentell erhaltenen Werten übereinstimmen.

In dieser Arbeit wird eine automatische Positioniervorrichtung zum Ausrichten schwerer Werkstücke entwickelt, mit der es möglich ist, aus thermischen Schweißprozessen resultierende Unebenheiten zu kompensieren. Diese Technologie soll in einem Industrieprozess die CNC-gesteuerte Bohr- und Fräsmaschine bei der Bearbeitung unterstützen, deren Werkstücke durch Magnetspannplatten fixiert werden. Durch diesen Einsatz soll die Qualität der Produktionsgüter verbessert, sowie Zeit zum Ausrichten eingespart werden, indem das bestehende manuelle Verfahren abgelöst wird. Diese Arbeit beschreibt einen vollständigen Entwicklungsprozess ausgehend von einer physikalischen Untersuchung der Problemursachen sowie den Entwurf von Lösungskonzepten bis hin zur Integration in den Industrieprozess. Im Kern der Arbeit stehen die mechanische Konstruktion eines Getriebes, die elektronische Entwicklung einer Schrittmotorsteuerung sowie die numerisch orientierte Programmierung der Oberflächenmodellierung.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Herstellung und Charakterisierung von elektronischen Bauelementen, speziell von Three-Terminal Junctions (TTJs), im 2DEG zweier aktuell diskutierter Materialsysteme durchgeführt, namentlich Graphen und das Heterosystem AlGaN/GaN. Dazu gliedert sich die Arbeit über Graphen in die Hauptpunkte Graphenherstellung, Identifikation und Charakterisierung des Graphens, Graphen- und TTJ-Prozessierung und die TTJ-Charakterisierung. Als ergänzender Punkt hierzu wurden vergleichbare TTJs in dem III-N-Heterosystem hergestellt und umfassend charakterisiert. Es wurde ein Hochtemperaturprozess für das epitaktische Wachstum von Graphen auf der Si-face von 4H-SiC unter Argonatmosphäre in Kombination mit einer Oberflächenpräparation entwickelt. Diese bestand in einer speziellen Abdecktechnik (Capping) durch einen vorgelagerten Temperschritt unter Argon-Normaldruck und führte zu einer verbesserten Oberfächenmorphologie des SiCs. Die Charakterisierung der Proben erfolgte mit Hilfe der AFM- und XPS-Technik sowie der spektroskopischen Ellipsometrie und der Ramanspektroskopie. Es wurden Technologien für die Prozessierung von TTJs auf Graphen und AlGaN/GaN-Basis entwickelt und erprobt. Diese bestehen in der Strukturierung des aktiven Materials durch die Verwendung der Elektronenstrahllithografie und Standard-Halbleitertechnologien. Die minimal erreichte Strukturbreite betrug ca. 15 nm. Es wurde erstmalig gezeigt, dass die Graphen-TTJs eine intrinsische Spannungsgleichrichtung bei Raumtemperatur zeigen. Dieses Verhalten war bislang nur bei TTJs mit einem 2DEG aus anderen Materialsystemen bekannt, bzw. für mechanisch abgespaltenes Graphen bei tiefen Temperaturen. Für die AlGaN/GaN-basierten TTJs gelang es erstmalig auf einem Materialsystem die beiden Bauelementeeigenschaften der Spannungsgleichrichtung und des Transistorverhaltens nachzuweisen. In bisherigen Veröffentlichungen wurde bisher nur jeweils einer der beiden Effekte gezeigt. Die intrinsische Spannungsgleichrichtung als Funktionsbeweis der hergestellten TTJs konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmals für die Materialien Graphen und AlGaN/GaN erbracht werden. Dies stellt einen wichtigen Schritt für eine weitere Verwendung dieser Bauelemente in zukünftigen Forschungsarbeiten dar. Damit wurden die Voraussetzungen für die Erarbeitung eines tieferen Verständnis für deren Funktionsweise und das elektrische Verhalten der Materialen gelegt, was den Weg für mögliche Anwendungen dieser Bauelemente ebnet.

Die Bestimmung der Zustände innerhalb der Bandkante von Polymer/Fulleren Solarzellen (P3HT/PCBM) ist für die Erforschung der zu Grunde liegenden Prozesse der Absorption, Exzitonentrennung und des Ladungsträgertransports von großer Bedeutung. Insbesondere Trap-Zustände und Chargetransfer-Übergänge geben einen tieferen Einblick. Um die typischerweise sehr kleine Absorption unterhalb der Bandkante untersuchen zu können, wurde die photothermische Ablenkungsspektroskopie in Verbindung mit ellipsometrischen Messungen an der TU Ilmenau etabliert. Zusätzlich lieferten noch hoch auflösende EQE-Messungen Anhaltspunkte über die Zustände, welche Zustände in der Bandlücke zum Photostrom beitragen. Nach Grundlegenden Messungen der Mischschichten aus P3HT und PCBM wurde die Absorption in der Bandlücke mittels verschiedener Additive gezielt variiert und ausgewertet.

Die vorliegende Arbeit vergleicht die stark gekoppelten Phonon-Plasmon-Moden von Graphen und mit Wasserstoff interkaliertem Monolagen-Graphen, welches epitaktisch auf dem Substrat 6H-SiC(0001) gewachsen wurde. Die Dispersion dieser Moden wurde mithilfe eines einfachen dielektrischen Modells simuliert. Der quasi-freistehende Charakter des mit Wasserstoff interkaliertem Graphens konnte bestätigt werden. Aus dem Modell können essentielle Größen des Graphens wie die Ladungsträgerdichte, die effektive Masse und die Ladungsträgerbeweglichkeit abgeleitet werden, welche wichtig sind für technologische Anwendungen wie Hochfrequenztransistoren. Weiterhin deutet das Vorhandensein von Silizium-Wasserstoff und Kohlenstoff-Wasserstoff Streck- und Biegeschwingungen nicht nur auf eine Absättigung der freien Siliziumbindungen an der Granzfläche hin wie es bisher in der Literatur berichtet wurde.