Studienabschlussarbeiten

In der vorliegenden Arbeit wird das selbstkatalytische Indiumarsenid Nanodraht-Wachstum hinsichtlich der Silizium-Vorbehandlung und verschiedener Prozessparameter analysiert. Weiter findet eine Untersuchung der für das Wachstum notwendigen Siliziumoxidschicht statt. Ziel der Arbeit ist es, den Einfluss verschiedener Prozessparameter auf das Wachstum zu verstehen und Möglichkeiten zu finden, dieses zu beherrschen. Um dies zu untersuchen sind die Indiumarsenid Nanodrähte in einer Anlage für metallorganische Gasphasenprozesse (MOCVD) auf Silizium(111)0˚ hergestellt worden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Dicke der Siliziumoxidschicht, welche durch das Spülen mit Milliporewasser aufgebracht wird, einen entscheidenden Einfluss auf das selbstkatalytische Nanodraht-Wachstum sowohl quantitativ als auch auf die Wachstumsrichtung hat. Messungen mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) und dem Rasterkraft-mikroskop (AFM) ergaben, dass bei einer Oxidschichtdicke von 18 âÅ (60 Sek. Spülzeit), in Bezug auf senkrechte InAs-Nanodrähte, das beste Wachstumsergebnis erzielt wurde. Die zusätzliche Oxidation an der Luft zeigt dagegen, im für diese Arbeit relevanten Zeitrahmen, nur einen vernachlässigbaren Einfluss. Durch ein Annealing im Reaktor (bei 635˚C; zehn Min.) werden eine Reduzierung der Siliziumoxidschichtdicke, sowie die Öffnung von Poren erreicht. Des Weiteren ist eine Minimierung des Wachstums, in die zur senkrechten alternativen (111)-Wachstumsrichtungen, durch eine fünfminütige Arsen-Terminierung der Oberfläche erreicht worden. REM-Aufnahmen verdeutlichen, dass die Kombination aus Terminierung und Katalysatorzugabe (zehn Sek. langen In-Push) das beste Wachstumsergebnis, in Bezug auf senkrecht gewachsene Drähte, liefert. Weiter werden die Abhängigkeiten der Wachstumsraten in (111)- und (1-10)-Richtung von verschiedenen Prozessparametern (Wachstumszeit, Wachstumstemperatur, V/III-Verhältnis und V/III-Flussmenge) dargelegt. Abschließend ist eine Möglichkeit untersucht worden, mit Hilfe von zwei verschiedenen Al2O3-Schablonen-Typen, eine regelmäßige Anordnung der InAs-Nanodrähte zu erreichen.

Durch die Verwendung von Galliumnitrid mit einer unpolaren m-plane Oberfläche kann die Effizienz von Bauelementen in der Sensor- und LED-Technik im Vergleich zu denen mit c-plane Oberflächen gesteigert werden. Zusätzlich eröffnen sie die Möglichkeit, an Galliumnitridnanodrähten photokatalytisch Wasser in seine Bestandteile zu spalten. Da für diese Anwendungen die Wechselwirkung der Oberfläche mit Sauerstoff und Wasser von großer Bedeutung ist, ebenjene Interaktion untersucht. Weil eine Passivierung der Oberfläche für technische Prozesse ebenfalls von großem Interesse ist, wurde auch die Adsorption von Wasserstoff an der Oberfläche betrachtet. Dabei wurden mittels plasmaunterstützter Molekularstrahlepitaxie ca. 80 nm dicke Schichten auf einen GaN-Substrat mit einer (1-100)-Oberfläche aufgewachsen. Es erfolgte eine Bestimmung der Bandverbiegung, der Austrittsarbei und eine Untersuchung der Valenzbandstruktur. Anschließend wurde Wasser beziehungsweise Sauerstoff an der Oberfläche unter verschiedenem Druck angeboten. Beim Adsorptionsprozesse unter geringem Druck konnte die Änderung der Valenzbandstruktur mittels UPS über die Zeit untersucht werden, wobei die Entstehung ausgeprägter, neuer Strukturen beobachtet werden konnte. Es ergab sich nach dem Angebot von Sauerstoff eine kleinere Aufwärtsbandverbiegung und die Ausbildung eines positiven Oberflächendipolpotentials. Für die Interaktion unter größerem Druck änderte sich die Bandverbiegung weniger. Der Oberflächendipol besaß dennoch die gleiche Energie. Somit wird bei der Adsorption von Sauerstoff an diese unpolare Oberflächen von GaN die Elektronenverarmungsschicht der Oberfläche druckabhängig abgebaut. Zudem konnte festgestellt werden, dass die Sauerstoffmoleküle nur an die Stickstoffmoleküle der Oberfläche anbinden und dabei der Oberflächenzustand abgesättigt wird. Für die Wechselwirkung mit Wasser konnte ein ähnliches Ergebnis ermittelt werden. Die Wassermoleküle binden unter Absättigung des Oberflächenzustands an die Oberfläche und bauen die Elektronenveramungsschicht durch eine Änderung der Bandverbiegung ab. Dies bedeutet ein Abflachen der Bänder bis hin zum Flachbandfall. Durch eine Adsorption von Wasserstoff an die frisch präparierte Oberfläche konnte abschließend eine metastabile Passivierung der Oberfläche gegenüber Sauerstoff und Wasser erzielt werden.

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit werden oberflächenrheologische Untersuchungen von Monolagen des bakteriellen Hydrophobins BslA an Hexadekan-Wasser-Grenzflächen durchgeführt. In einem engen Frequenzbereich werden für eine BslA-Mutation und das strukturell wie funktionell verwandte Protein YweA die komplexen Oberflächen-E-Module bestimmt. Einflüsse von mono- und dimerisch vorliegenden Proteinen werden untersucht. Da außergewöhnliche und stark nicht-lineare Effekte in den Proteinfilmen beobachtet werden, wird ein Bildanalyseinstrument zu deren Einteilung in Tensidartige und starre Proteine sowie Faltenbildner entwickelt. Bei der Filmbildung unter erzwungener Bewegung werden große Unterschiede zwischen den Faltenbildnern und den starren Proteinen beobachtet und ein Modell hierfür wird entworfen. Dabei wird der eine Filmbildungsmechanismus mit Keimbildung und starken intermolekularen Wechselwirkungen erklärt, während der andere einem hauptsächlich oberflächenkatalysierten Mechanismus zugeschrieben wird. Weitere Möglichkeiten zur Untersuchung der Vorgänge in BslA-Proteinfilmen werden vorgeschlagen.

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurden neuartige organische Polymere in Hinblick auf zukünftige Anwendung in Polymersolarzellen untersucht. Die Polymere bestehen aus Phospha- und Arsaalkenen als Cyclopentadithiophen Derivate. Erste Dichtefunktional-Berechnungen deuten auf vielversprechende Eigenschaften der angeregten Zustände hin, die in dieser Arbeit genauer analysiert wurden. Die Lebenszeiten dieser angeregten Zustände sind von Bedeutung für effiziente Solarzellen. Um diese Lebenszeiten im Bereich von Femto- bis Nanosekunden zu untersuchen, wurde Transiente-Absorption-Spektroskopie durchgeführt, die eine Pump-Probe-Spektroskopiemethode darstellt, in der ein Anregungs- von einem Abtastpuls auf der Zeitskala von Femtosekunden gefolgt wird. Der genaue Aufbau sowie detaillierte Beschreibungen der einzelnen Elemente wurden dargestellt. Die Proben wurden mit zwei verschiedenen Methoden untersucht: Abtaststrahl mit nur einer Wellenlänge und mit Weißlicht. Für jede Methode wurde ein Programm geschrieben, mit dem die jeweiligen Lebenszeiten ermittelt werden konnten. Diese Fit-Routine wurde wesentlich erweitert, um realitätsnähere Ergebnisse zu erhalten. In diesem Rahmen wurden verschiedenste Modelle für den Zerfallsprozess generiert und zusammen mit einer Faltung mit der Apparatefunktion in den Code integriert. Nach Aufnehmen der Daten wurden vergleichbare Datensätze gemittelt und Korrekturen für die örtliche Verschiebung verschiedener Frequenzkomponenten (chirp) sowie für konstante Abweichungen durchgeführt. Während der Fit-Prozedur wurde eine erste Schätzung der Lebenszeiten durch Singulärwertzerlegung berechnet. Mit dem neu entwickelten und erweiterten Algorithmus wurden diese Lebenszeiten durch Minimierung der Fehlerquadrate optimiert und so die passenden Zerfallsmodelle ermittelt. Die resultierenden Zerfallsverläufe für jede der drei Proben waren aus mindestens vier bis sechs Lebenszeiten zusammengesetzt, die mit physikalischen Vorgängen wie Schwingungsrelaxation, Fluoreszenz, Intersystem Crossing oder Fluoreszenz verknüpft wurden. Die Lebenszeiten der verschiedenen Proben wurden verglichen und Ähnlichkeiten sowie Unterschiede wurden diskutiert. Langlebige Zustände mit 4 ns bis mehr als 30 ns wurden gefunden, die für eine zukünftige Verwendung dieser Polymere in Solarzellen sprechen könnten.

Jeden Tag passieren eine Vielzahl von Autounfällen, bei denen Menschen in lebensgefährliche Situationen geraten. Der einzige Schutz, den die Passagiere dabei haben, geht von ihrem Fahrzeug aus. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass alle Teile des Fahrzeugs aufeinander abgestimmt sind und die beim Aufprall wirkenden Kräfte von den Strukturteilen des Fahrzeugs statt vom Insassen aufgenommen werden. Eine sehr wichtige Sicherheitskomponente stellt dabei der Fahrzeugsitz dar. Durch seine optimale Anpassung an den Körper kann der Sitz auftretende Kräfte aufnehmen und den Passagier schützen. Eine wesentliche Komponente ist die Höhenverstellungswelle des Sitzes. Vor allem beim Seitenaufprall stellt die Welle den Überlebensraum des Insassen sicher. Aus diesem Grund beschäftigt sich diese Bachelorarbeit mit dem Strukturbauteil Höhenverstellungswelle. Bei der Herstellung von Höhenverstellungswellen eines Fahrzeugsitzes spielt die plastische Verformung von polykristallinen Metallen eine wichtige Rolle. Dabei werden zur Stabilisierung der Seitenteile des Sitzunterbaus sogenannte Tulpen benötigt. Um die Tulpen zu erzeugen, muss das Grundmaterial eine hohe Verformbarkeit aufweisen. Vor allem die chemische Zusammensetzung der handelsüblichen Stähle beeinflusst die Verformbarkeit sowie mechanische Eigenschaften der verwendeten Legierungen. Die plastische Verformung bei Raumtemperatur führt generell zu einer Steigerung der Festigkeit des Grundmaterials. Dieser Vorgang wird auch als Kaltverfestigung bezeichnet, wobei die Bildung von Versetzungen entscheidend ist. Eine Kaltverfestigung mit einem nachfolgenden geforderten Umformvorgang ist jedoch destruktiv. Es können Mikrorisse im Material entstehen, die bei starker Beanspruchung zu einem frühzeitigen Versagen des Bauteiles führen. Zur Vermeidung dieser Problematik wurde daher im Rahmen dieser Bachelorarbeit der Einfluss des Umformgrades bei Tulpen der Höhenverstellungswellen im Fahrzeugsitz genauer untersucht. Hierfür wurden verschiedene Werkstoffe sowie Tulpengeometrien variiert und deren Einfluss auf die Festigkeit geprüft. Als weitere Einflussgröße wurde die Umformgeschwindigkeit untersucht. Ein abschließender Überblick zeigt die Möglichkeit einer optimalen Kombination von Material, Umformgeschwindigkeit, Wellen- sowie Tulpengeometrie.