Studienabschlussarbeiten

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.

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.

Gruppe III-Nitride bieten aufgrund ihrer Materialeigenschaften eine Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten für optische Bauteile und Sensoren. Unter Ihnen haben auch Scandium enthaltende ternäre Verbindungshalbleiter das Interesse der Grundlagenforschung geweckt. In dieser Arbeit wurde das Wachstum von Scandiumgalliumnitrid (ScGaN) auf Si-face 6H-Siliziumcarbid (SiC) mithilfe plasmagestützter Molekularstrahlepitaxie (PAMBE), in einem Ultrahochvakuum-System, etabliert. In Vorbereitung auf das Wachstum wurden die Kontaminationen des SiC-Substrats durch einen HF-Dip und einen Gallium-Anneal entfernt. Die Implementierung von Scandium in das etablierte GaN-Wachstum geht mit einigen Herausforderungen einher: (i) ScN neigt zu kubischem Wachstum und (ii) Gallium tendiert zur Ausbildung von flüssigen Tropfen, bei einem zu niedrigen Angebot von Stickstoff. Das Ziel war es geeignete Wachstumsparameter für das Wachstum von hexagonalen ScGaN zu finden. Hierfür wurden Scandium- und Galliumfluss systematisch variiert. Das Wachstum wurde in situ mithilfe von Beugung hochenergetischer Elektronen bei Reflexion (RHEED) untersucht. Weitere Untersuchungen mit Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie (UPS) gaben Aufschluss auf die Stöchiometrie, Topografie und Valenzbandstruktur der Schichten. Diese Arbeit ist die Grundlage für folgende Untersuchungen an den elektronischen Eigenschaften von epitaktisch gewachsenen ScGaN-Schichten und deren Wechselwirkungen mit Gasmolekülen.

Es ist bekannt, dass Graphen-Triagulene aufgrund einer ungleichen Zahl an Atomen in beiden Untergitter einen magnetischen Grundzustand aufweisen. Die magnetischen Eigenschaften dieser Strukturen können durch die Größe des [n]-Triagulens oder durch Heteroatomsubstitution beinflusst werden. Dies macht sie besonders interresant für künftige spintronische Anwendungen und eröffnet den Weg hinzu organischen Spin-Logik-Bauelementen. Bislang scheint der Einfluss von Heteroatomen in größeren Triangulen (n>3) nicht geklärt zu sein. Diese Arbeit berichtet über die Bottom-up-Synthese von [5]-Aza-Triangulen mittels oberflächenunterstützter Cyclodehydrierung auf einer Au(111)-Oberfläche. Elektronische Transportmessungen, die mit einem Rastertunnelmikroskop durchgeführt wurden, enthüllen den magnetischen Grundzustands des Moleküls durch Phänomene nahe der Fermi-Energie. Darüber hinaus wird nicht nur der Einfluss von Heteroatomen, sondern auch von zusätzlichen Wasserstoffatomen, die den magnetischen Grundzustand entscheidend verändern können, beleuchtet. Mean-Field-Hubbard-Rechnungen bestätigen die Spinpolarisation und die elektronische Struktur der beobachteten Moleküle.

Die Proteindynamik am Modell der Gammaglobuline wurde mit Hilfe der physikalischen Methoden der Kernspinresonanzspektroskopie untersucht. Dabei wurde der Einfluss der Proteindenaturierung mittels Zugabe von Urea und Änderung des pH-Werts der Lösung auf die Proteindynamik analysiert. Durch das Messen der Relaxationszeiten im Niederfeld-Spektrometer konnte die langsame Dynamik, das heißt die Gesamtbewegung des Proteins, beobachtet werden. Des Weiteren dienten Diffusionsmessungen im Hochfeld zur Bestimmung der Diffusionskoeffizienten der Proteine und Fast-Field-Cycling-Messungen zur Bestimmung der Korrelationszeiten der Proteine. Zusätzlich wurde durch die Zugabe des Radikals 4-Hydroxy-TEMPO versucht spezifische Bereiche des Proteins zu markieren und Informationen über die Dynamik dieser spezifischen Bereiche zu erhalten.