Degree theses

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.

Bei der Zahnpflege treten verschiedene Wechselwirkungen auf, bei deren Beschreibung die unterschiedlichen Mechanismen und Randbedingungen der biologischen Materialien berücksichtigt werden müssen. Bisher wurden die verschiedenen Einflussfaktoren wie Reinigungsleistung, Polierwirkung und Minimalabrasion im oberflächennahen Bereich sowie die Wechselwirkungen unter der Berücksichtigung von Speichel, Pellikel und mechanischem Kontakt von Filament und Zahn noch nicht zuverlässig messtechnisch erfasst und bewertet. Dies stellt eine anspruchsvolle und bisher noch nicht gelöste Aufgabe dar. Durch ihre Lösung soll die Entwicklung neuer Zahnpflegeprodukte effektiv unterstützt werden. - Ziel dieser Arbeit war die komplexe Analyse des Reinigungsprozesses unter Berücksichtigung tribologischer Aspekte. Dazu wurde der Zahnputzvorgang auf den Kontakt von einem Bürstenfilament mit der Zahnschmelzoberfläche reduziert. Die Versuche wurden am Mikrotribometer durchgeführt und verschiedene Situationen nachgestellt. So konnten die Reibwerte für den Prozess des Zähneputzens sowie der Einfluss des umgebenden Mediums (destilliertes Wasser, Speichel oder Zahnpasta-Slurry) und der Oberflächenpräparation (poliert oder gefärbt) ermittelt werden. Im Anschluss an diese Versuche wurde die Oberflächentopographie analysiert und der Abrieb des Belages sowie des Zahnmaterials bei den verschiedenen Versuchen ermittelt. Es wurde gezeigt, dass nur die Verwendung einer Zahnpasta den Belag vollständig entfernen kann, es bei Verwendung dieser aber in Abhängigkeit vom RDA-Wert zu Verschleißerscheinungen am Zahnschmelz kommt. Anhand der Reibwerte konnte eine Abschätzung für die Reibleistung getroffen werden und es wurden Wege aufgezeigt, wie diese Energie für biochemische Reaktionen genutzt werden kann, sodass neue Zahnpflegeprodukte hinsichtlich ihrer Wirkungsweise optimiert werden können und die Reinigung nicht mehr ausschließlich auf mechanischem Wege mit Hilfe von Abrasivstoffen erfolgt.

Graphen ist eine der zukunftsträchtigsten Errungenschaften der letzten Jahre auf dem Gebiet der Festkörperphysik. Die zweidimensionale Graphitstruktur weist außergewöhnliche physikalische und elektronische Eigenschaften auf. In dieser Arbeit wird Graphen mit oberflächenphysikalischen Methoden untersucht, das auf zwei unterschiedliche Arten hergestellt wurde. Großflächiges Graphen, das mittels Chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) auf polykristallinem Nickel gewachsen ist, wurde mit UV - Photoelektronenspektroskopie (UPS) und Rastertunnelmikroskopie (STM) untersucht. Epitaktisches, auf Siliziumkarbid gewachsenes Graphen, wurde mit hochauflösender Elektronenenergieverlustspektroskopie (HREELS), Elektronenbeugung (LEED) und Röntgen - Photoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. Das CVD-gewachsene Graphen zeigt im STM ein kontinuierliches Moiré-Muster an der Oberfläche, was auf eine sehr gute Kristallqualität hinweist. Mittels UPS wurde ein Endzustandseffekt beobachtet, welcher eine unterscheidung des Graphens nach der Qualität erlaubt. In den HREELS - Messungen wurde eine Kopplung der sogenannten Fuchs Kliewer Phononen mit den Ladungsträgern beobachtet. Eine Simulation der HREELS - Spektren auf Grundlage der Dielektrischen Theorie ermöglicht die Bestimmung von Ladungsträgerdichte, Ladungsträgerbeweglichkeit und effektiver Masse der Ladungsträger im Graphen.

In den letzten Jahren hat das Interesse an Galfenol (FeGa Legierung) stark zugenommen. Terfenol (Tb1-xDyxFe2), das als magnetostriktives Material jetzt schon kommerziell konkurrenzfähig mit piezoelektrischen Materialen ist, besitzt oft jedoch nicht die nötige mechanische Festigkeit. Da es zudem Seltene Erden beinhaltet, ist das Interesse an anderen Materialien groß. Seit 1998 Galfenol vorgestellt wurde, sind verschiedene Anwendungen bereits durchgeführt worden. Viele Herstellungsverfahren für makroskopische Mengen an Galfenol und deren Einfluss auf die magnetostriktiven Konstanten wurden untersucht. Für mikroelektronisch-mechanische Systeme (MEMS) wird die Herstellung von kleinen Strukturen wichtig. Um das Material optimal einzusetzen, müssen ihre physikalischen Eigenschaften genauer untersucht und verstanden werden. Die Ursache der Magnetostriktion in Galfenol wird dabei immer noch diskutiert. Neben Sputtertechniken, die zur Herstellung von dünnen Filmen verwendet werden, wird im Rahmen dieser Diplomarbeit die Möglichkeit des Wachstums von Galfenol durch Molekularstrahlepitaxie untersucht. Durch Variation der Verdampfungszellentemperaturen kann Galfenol mit beliebigen Ga Konzentrationen leicht hergestellt werden. Durch die große Anzahl Materialien, die bereits mit Molekularstrahlepitaxie gewachsen wurden, ermöglicht diese Technik die Abscheidung von verschiedenen Heterostrukturen mit glatten Grenzflächen. Damit eröffnet die Molekularstrahlepitaxie neue Optionen bezüglich Wachstum und Charakterisierung von Galfenol. Die Charakterisierung mit Hilfe mittels der Photoelektronenspektroskopie (XPS) und der vibrierenden Proben Magnetometrie (VSM) ist im Fokus dieser Diplomarbeit. Der Einbau von Ga in Fe Filme wird demonstriert. Dabei bleiben dünne Fe Filme bis 26 % Ga Konzentration einkristallin. Frühere Studien von Wun-Fogle haben gezeigt, dass einkristallines Galfenol bei Ga Konzentrationen um 18 %, die größte Magenostriktivität (400ppm) entlang der <100> Richtungen aufweist. Hysteresekurven mit Ga Konzentrationen von 8 bis 26 % wurden im Rahmen der Diplomarbeit gemessen, wobei die kleinsten Koerzitivfelder entlang der leichten Richtungen für Ga Konzentrationen zwischen 16 und 20 % beobachtet wurden.