Studienabschlussarbeiten

Die Vorder- und Rückseitenablation dünner Gold- und Siliziumsuboxidschichten auf einem Quarzglassubstrat mit Hilfe eines UV-Excimerlasers ist die zentrale Problemstellung der vorliegenden Arbeit. Hierzu kommen ein ArF-Laser (193 nm) sowie ein KrF-Laser (248 nm) zum Einsatz. Im ersten Versuchsteil werden beide Bearbeitungskonfigurationen, Vorder- und Rückseitenablation, vergleichend gegenübergestellt, wobei zusätzlich der Einfluss eines Grobvakuums auf den Prozess untersucht wird. Die Reduzierung des Umgebungsdrucks führt zu einer Verringerung der Ablagerungen auf der bearbeiteten Oberfläche. Eine Änderung der Schwellfluenz für die Ablation durch die veränderten Druckverhältnisse kann mit den verwendeten Methoden jedoch nicht festgestellt werden. Ebenso gibt es kaum Unterschiede hinsichtlich der Nanopartikel im Vergleich zur Bearbeitung an Luft. Bei der Vorderseitenablation der Goldschichten steigt die Größe der entstehenden Nanopartikel mit zunehmender Fluenz, wohingegen die räumliche Dichte abnimmt. Mit steigender Fluenz verändern sich Größe und Dichte der Partikel bei den rückseitig bestrahlten Goldschichten kaum, allerdings verschwinden die Partikel ab einer bestimmten Fluenz komplett. Im Gegensatz dazu zeigt sich bei den Siliziumsuboxidschichten keine deutliche Abhängigkeit der Form, Größe und räumlichen Dichte der Partikel von der Fluenz. Für den zweiten Versuchsteil werden die rückseitig bestrahlten Schichten direkt mit Aceton bzw. Ethanol in Berührung gebracht. Innerhalb eines definierten Fluenzbereichs verschwinden die Ablagerungen auf der Oberfläche durch das flüssige Confinement beinahe vollständig. Für praktische Anwendungen, wie die Herstellung von optischen Elementen, ist dieser Aspekt ein großer Vorteil. Allerdings bleibt an den Rändern der streifenförmig ablatierten Flächen Material zurück, weshalb die Ränder deutlich unsauberer im Vergleich zur Bearbeitung an Luft sind. Deshalb kann auf zusätzlich Reinigungsprozeduren nicht vollständig verzichtet werden. Zusätzlich werden die Ergebnisse einer Simulation zur Temperaturentwicklung innerhalb der Schichten bei dem Prozess der Vorderseitenablation vorgestellt. Das Programm basiert auf der numerischen Lösung der Wärmeleitungsgleichung mit Quellterm. Die Ergebnisse der Simulation stimmen gut mit dem Experiment überein und legen nahe, dass bei den vorderseitig bestrahlten Goldschichten ein Ablationsprozess vorliegt, bei dem hydrodynamische Effekte eine zentrale Rolle spielen.

Untersuchungsobjekt dieser Arbeit ist das aluminiumreiche metallische Glas Al85Ni10La5 (at- %). Hergestellt durch Heliumverdüsung, liegt die Legierung in Pulverform mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 11 ?m vor. Aluminiumreiche metallische Gläser haben sehr hohe Streckgrenzen und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, wodurch eine Anwendung bei Hochfestigkeitswerkstoffen interessant ist. Die Streckgrenze kann durch eine partielle Kristallisation signifikant erhöht werden. Dabei entstehen fcc- Aluminiumkristalle mit einer Größe von wenigen Nanometern innerhalb der amorphen Matrix. Diese unvollständige Entglasung kann sowohl durch thermische als auch durch mechansiche Verfahren induziert werden. Der Kristallisationsmechanismus beider Verfahren ist vermutlich vollkommen unterschiedlich. Einige Wissenschaftler vermuten, dass der Kristallisationsmechanismus der mechanisch induzierten Kristallisation athermisch ist. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von Temperatureinflüssen auf die mechanisch induzierte Kristallisation von Al85Ni10La5 (at- %) verursacht durch Kugelmahlen. Hierfür wurden Mahlvorgänge in drei unterschiedlichen Temperaturbereichen vollzogen, wobei neben Raumtemperatur (RT), tiefe Temperaturen (TT) durch Trockeneis und hohe Temperaturen (HT) durch Heißluft realisiert wurden. Die gemahlenen Proben wurden mit unterschiedlichen experimentellen Verfahren untersucht: Licht- und Rasterelektronenmikroskopie (LM, REM), Differenzialkalorimetrie(DSC) und Röntgenstrukturanalyse (XRD). Die DSC- Kurven offerieren charakteristische Temperatureinflüsse, die vermutlich durch eine beschleunigte Bildung von fcc- Aluminium bei höheren Mahltemperaturen verursacht sind. Der Vergleich der XRD- Spektren nach 240 Minuten Kugelmahlen zwischen RT und HT weist auf einen deutlich größeren Anteil von fcc- Aluminium bei HT hin. Nach Kugelmahlen bei TT kann ein erhöhter Abrieb von ZrO2 festgestellt werden, wodurch Vergleiche zu Ergebnissen bei TT nur eingeschränkt möglich sind. Die Arbeit ist in sieben Abschnitte gegliedert. Nach der Einleitung(Abschnitt 1) werden die theoretischen Grundlagen(Abschnitt 2) zur Beschreibung metallischer Gläser definiert und die experimentellen Untersuchungsmethoden(Abschnitt 3) detailliert beschrieben. Die experimentellen Ergebnisse werden in Abschnitt 4 dargestellt und in Abschnitt 5 diskutiert. Abschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst(Abschnitt 6) und ein Ausblick auf mögliche zukünftige Experimente (Abschnitt 7) gegeben.

Indiumnitrid ist ein Halbleitermaterial mit enormem Anwendungspotential. Es kann für LEDs, Hochfrequenztransistoren, Sensoren und Solarzellen verwendet werden. Wichtig für die Entwicklung technischer Anwendungen ist hierbei das Wissen um die Oberflächeneigenschaften. Diese werden wiederum von den Wechselwirkungen mit den Molekülen in der Umgebung des Halbleiters beeinflusst. In dieser Arbeit wurden die Wechselwirkungen von unrekonstruierten und 2x2-rekonstruierten InN-Oberflächen mit Wasser untersucht. Die Proben wurden dafür mittels plasmaunterstützter Molekularstrahlepitaxie gewachsen und mit Hilfe von RHEED, UPS, XPS sowie AFM charakterisiert. Dabei zeigten beide Probentypen ein ähnliches Verhalten unter Wasserangebot bei Raumtemperatur. So haben beide Proben zu Beginn eine etwa gleich große Reaktivität mit Wasser. Dieses bindet zunächst an sauberen Oberflächen auf eine andere Weise, als nach höheren Angeboten, was sich in einer anfänglichen Abnahme und späteren wieder Zunahme der Austrittsarbeit äußert. Weiterhin gibt es Hinweise auf entstehende Oxid- und Hydroxidbindungen, welche in den Intensitätsmaxima der Kernniveaus in den XPS-Spektren sowie im Valenzband in den UPS-Spektren zu finden sind. Hinweise auf rein wasserstoffinduzierte Bindungen sowie auf adsorbiertes, undissoziiertes Wasser lassen sich nicht erkennen. Weiterhin ist mittels UPS und RHEED festzustellen, dass aufgrund des Wasserangebots die 2x2-Oberflächenrekonstruktion verschwindet. Die Austrittsarbeit sinkt unter zunehmendem Wasserangebot kurzzeitig ab, und steigt anschließend wieder an. Eine mögliche Erklärung hierfür könnten Oberflächendefekte sowie Inseln sein.

Das quantenmechanische Verhalten von Elektronen auf dem Pyrochlorgitter und seinem zweidimensionalen Gegenstück, dem Schachbrettgitter war Gegenstand zahlreicher neuerer Untersuchungen. Diese wurden unter anderem durch das Tieftemperaturverhalten vom Lithiumvanadat inspiriert, welches als erstes Material ohne besetzte f-Orbitale Eigenschaften zeigte, die für Schwerfermionensysteme typisch sind. - In der theoretischen Erklärung dieser Eigenschaften spielt die Anordnung der Vanadiumatome in einem Pyrochlorgitter eine zentrale Rolle. Es ist bekannt, dass es sich dabei um ein geometrisch frustriertes Gitter handelt. - Eine charakteristische Eigenschaft der frustrierten Systeme ist ihre makroskopische Entartung der klassischen Grundzustands-Mannigfaltigkeit. Es wurde ausserdem diskutiert, dass auf dem Pyrochlor- und Schachbrettgitter mobile Ladungsträger existieren können, die halbzahlige vielfache der Elementarladung tragen. - Bisher ist wenig über den klassischen Transport von Ladungsträgern in diesen Systemen bekannt. Zur Untersuchung wurde zunächst ein Simulationsprogramm geschrieben. Mit der Simulation wurden zunächst Eigenschaften des Systems im thermodynamischen Gleichgewicht bestimmt. Ausserdem wurden mit einem externen elektrischen Feld Nichtgleichgewichtszustände provoziert und der daraus resultierende elektrische Strom untersucht. - Die mobilen Ladungsträger, darunter solche mit nicht ganzzahligen Vielfachen der Elementarladung, wurden charakterisiert. Es wird zudem eine bestimmte Systematisierung dieser Ladungsträger vorgeschlagen. Anhand dieser Systematisierung wurde versucht, analytische Zusammenhänge herzuleiten, mit denen die Dichte der mobilen Ladungsträger berechenbar ist. Diese ist ausserordentlich relevant für die Transporteigenschaften. In diesem Rahmen konnten die Ladungsträgerdichten in der Nähe des Grundzustands, also im Grenzwert niedriger Temperaturen und schwacher Felder, für alle Teilchendichten sehr erfolgreich analytisch berechnet werden. Die Schwierigkeiten bei der Erweiterung auf angeregte Zustände werden Anhand der Abweichungen zu den Simulationsergebnissen aufgezeigt und diskutiert. Eine vollständige Lösung dieses Problems, dessen Lösung die Vorhersage der Ladungsträgerdichten für alle Teilchendichten, Temperaturen und Feldstärken erlauben würde, muss aber Gegenstand zukünftiger Untersuchungen bleiben.

Diese Arbeit behandelt 2 Themen. - Das erste Thema ist Graphen, seine Entdeckung und Charakterisierung. Weiterhin werden AFM- und Raman Messungen von Graphen gewachsen auf SiO und Ni, gemessen am CMRR, präsentiert. Die optischen Aufnahmen von Graphen auf SiO zeigen verschiedene, gleichmäßig gefärbte Graphenlagen auf dem Substrat aber die AFM Messungen enthüllen, dass selbst die gleichmäßigsten Gebiete mit vielen kleinen Graphenlagen der Größe von 100nm^2 bedeckt sind. Die Raman Messungen zeigen eine eindeutige Verschiebung des 2D Peaks, abhängig von der Anzahl der Graphenlagen auf dem SiO Substrate, wie berichtet in der Literatur. Auf dem Ni Substrate konnte keine Verschiebung des 2D Peaks festgestellt werden. - Das zweite Thema ist die normale- und laterale Kalibrierung eines Rasterkraftmikroskops um normale und laterale Kräfte zu messen. Die benötigten Kalibrierungskonstanten, die normale Sensitivität SN und die laterale Sensitivität S, konnten erfolgreich bestimmt werden. Reibungsmessungen wurden auf 13 unterschiedlichen Materialien durchgeführt. Die gemessenen normal- und lateral Signale wurden zu Kräften umgerechnet und die Reibungskoeffizienten wurden bestimmt. Das Graphen auf SiO zeigt im Vergleich zum SiO Substrat und zu den meisten anderen Materialien einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten. Er wird nur übertroffen vom Reibungskoeffizienten von HOPG und SiN. Demgegenüber wurde für das Graphen auf Ni nur einen Reibungskoeffizienten zwischen Si und SiO gemessen. In dieser Arbeit wurden die theoretischen Kapitel von den praktischen Kapitel getrennt. Zu den theoretischen Kapitel gehört Kapitel 1 in dem allgemein Graphen eingeführt wird und Kapitel 3 in welchem das Rasterkraftmikroskop vorgestellt wird. Weiterhin ist im Kapitel 3 die theoretische Erklärung für die normale- und laterale Kalibrierung des AFM zu finden. Die experimentellen Ergebnisse und Messungen werden in den Kapitel 2, 4 und 5 behandelt. Und letztlich, in den Kapitel 6 und 7, werden die ermittelten Reibungskoeffizienten präsentiert gefolgt von der Bewertung der Ergebnisse und der Fehlerdiskussion. Eine Zusammenfassung ist in Kapitel 8 zu finden.