Untersuchungen zur Charakterisierung von Metallspiegelsubstraten mit HfO2 und SiO2 Vergütungsschichten und Analysen zur Zerstörschwellenmessung für Ultrakurzpulslaser-Anwendungen. - 52 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2015
In dieser Arbeit sollen metallische Werkstoffe mit Vergütungsschichten hinsichtlich der Oberflächencharakteristik und Laserfestigkeit untersucht werden.
Herstellung, Verbesserung und Charakterisierung von Perowskitsolarzellen auf Basis von Methylammonium-Bleijodid. - 79 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Das Ziel dieser Arbeit, die praktische Technologie der MAPbI3-Perowskitsolarzellen am Forschungsstandort Ilmenau zu etablieren, konnte erfolgreich umgesetzt werden. Dies umfasste die lösemittelbasierte Präparation, die Charakterisierung und die Verbesserung von Perowskitsolarzellen. Hinsichtlich der Solarzellfunktionalität stand insbesondere die I-U-und EQE-Charakterisierung von Perowskitsolarzellen bei Betriebstemperaturen zwischen 30˚C bis 100˚C im Vordergrund. Die Variation der MAPbI3-Schichtdicke im "Einstufen"-Verfahren zeigte, dass die Qualität der Aktivschicht und folglich die Solarzellenfunktion stark von der Schichtdicke abhängen. Für dünne MAPbI3-Schichten konnte keine vollständige Benetzung erzielt werden. Dicke Absorptionsschichten waren zwar geschlossen, zeigten allerdings inselartige Oberflächenstrukturen. In beiden Fällen war die Solarzellfunktion stark eingeschränkt. Es konnte aber gezeigt werden, dass eine löcherblockierende Titandioxidschicht (TiO2) zwischen PC61BM und elektronenextrahierender Elektrode die Solarzellenfunktion um ca. 300% (von 0,3% auf 1,1% Wirkungsgrad) steigern kann. Durch Umsetzung des "Zweistufen"-Verfahrens konnte eine Verbesserung der Schichtqualität erreicht werden. Es wurde gezeigt, dass weder lückenhafte noch inselartige Oberflächenstrukturen auftreten. Durch Variation der TiO2- als auch der PC61BM-Schichtdicke konnte die Solarzellenfunktionalität weiter gesteigert werden. Durch die verbesserte Qualität der Absorptionsschicht sowie der Anpassung der TiO2- und PC61BM-Schichtdicke konnte der Wirkungsgrad von den anfänglich 1.1% auf 8% gesteigert werden. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die Solarzellfunktion stark durch die Umgebungstemperatur beeinflusst wird. Die gefertigten Solarzellen wiesen in Vorwärtsmessrichtung eine starke Temperaturabhängigkeit auf. Insbesondere im Bereich der Phasentransformation wurde eine starke Verschlechterung von UOC und FF beobachtet. Es wurde aber auch festgestellt, dass die JSC in Vorwärtsmessrichtung bis zu einer Temperatur von 70˚C anstieg. Bei weiterer Erwärmung reduzierte sich diese wiederum geringfügig. In Rückwärtsmessrichtung wurden UOC und FF durch Erhöhung der Solarzellentemperatur vergleichsweise wenig beeinflusst (< 10% der Messwerte bei Raumtemperatur). Lediglich die JSC zeigte eine auffällige Verringerung um 25% bezogen auf die Messergebnisse bei Raumtemperatur. Dies konnte auch mit den EQE-Spektren belegt werden. Ähnlich wie bei den I-U-Messungen in Vorwärtsmessrichtung stieg die berechnete JSC zunächst bis zu einer Temperatur von 65˚C. Bei weiterer Erwärmung reduzierte sich diese wieder geringfügig. Insgesamt zeigte jedoch die Temperaturerhöhung in Vorwärtsmessrichtung einen negativen Einfluss auf die Solarzelle. Bei 100˚C wurden in Vorwärtsmessrichtung lediglich 25% des Wirkungsgrades bei Raumtemperatur gemessen. In Rückwärtsmessrichtung wurde dieses Verhalten nicht beobachtet. Das kombinierte temperatur- und messrichtungsabhängige Hystereseverhalten konnte in der vorliegenden Arbeit erstmals gezeigt werden. Die Erhöhung der Solarzellentemperatur führte insbesondere in Vorwärtsmessrichtung zu einer Verstärkung der Hysterese. Die Ursachen für dieses charakteristische Verhalten sind zum Zeitpunkt noch nicht vollständig verstanden und bleiben auch zukünftig Gegenstand der Forschung.
Investigation of dye-sensitized solar cells from experimental and theoretical point of view. - 50 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2015
In dieser Arbeit wurden farbstoffsensitivierte Solarzellen zusammen mit den verwendeten Zink-Porphyrin-Farbstoffen untersucht. Zunächst enthält das Werk eine Beschreibung farbstoffsensitivierter Solarzellen, ihrer Funktionsweise und Grundlagen sowie eine Anleitung für ihre Herstellung. Weiterhin beinhaltet die Arbeit einen detaillierten Überblick über transient absorption spectroscopy und den dafür verwendeten experimentellen Aufbau. Transient absorption spectroscopy wurde für den Zink-Porphyrin-Farbstoff 2,4,6-Me und den (nahezu) nicht-injizierenden Farbstoff Fe(terpy)COOH durchgeführt. Mit Hilfe der daraus enthaltenen Differenzspektra und Kinetiken wurden die Prozesse in angeregten Zuständen und ihre Zeitskalen bestimmt. Außerdem wurden zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen (TD-DFT) durchgeführt. Mittels dieser Methode wurden Molekularstruktur, Absorptionsspektrum und Energien der Molekülorbitale inklusive ihrer Visualisierung für 2,4,6-Me und andere Zink-Porphyrine bestimmt, um die experimentellen Ergebnisse zu bestätigen. Schlussendlich wurden komplette farbstoffsensitivierte Solarzellen hergestellt und Experimente mit ihnen durchgeführt, um den Wirkungsgrad zu bestimmen.
Superstructures and phonons of graphene on Ir(111) induced by lithium intercalation. - 62 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Die Interkalation von Lithium in Graphen auf Ir(111) führt zur Ausbildung vielfältiger Überstrukturen. Mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie bei niedrigen Temperaturen können die Bausteine ("pattern elements") dieser Strukturen für alle untersuchten Bedeckungen sichtbar gemacht werden. Bei kleinen Mengen interkalierten Lithiums wird lediglich ein spezieller Stapelungsplatz des Moiré-Gitters besetzt, welches durch die unterschiedlichen Gitterkonstanten von Graphen und Ir(111) erzeugt wird. Mit steigender Bedeckung bilden sich dreibein- und streifenförmige Lithiumanhäufungen aus, von denen letztere lediglich ein Moiré-Platz breit sind. Bei hohen Bedeckungen formen sich auch breitere Streifen und Inseln, bis schließlich eine interkalierte Lithium-Monolage mit atomarer p(&worte;3x&worte;3)R30˚ Überstruktur in Bezug auf Graphen erreicht wird. Die beobachteten Strukturen und Strukturelemente sind abhängig von im Graphen bereits vorhandenen Spannungen und unterschiedlichen Bindungsverhältnissen in den verschiedenen Stapelungsplätzen des Moiré-Gitters. Im Gegensatz zu reinem Graphen auf Ir(111) weist das interkalierte System klare Signaturen von akustischen und optischen Kohlenstoff M-Punkt-Phononen auf. Weiterhin wurden mögliche Hinweise auf niederenergetische Vibrationen gefunden. Eine plausible Ursache für diese Beobachtungen liegt in der Entkopplung des Graphens vom Iridium-Substrat durch die Lithium-Zwischenschicht.
Side-by-side nano-heterostructure for solar water splitting synthesized by AAO templates. - 86 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Solare Wasserspaltung in photoelektrochemischen Zellen (PECs) ist ein vielversprechende Methode um eine umweltfreundliche Wasserstoffproduktion aufzubauen. Um effiziente PECs zu realisieren ist der Einsatz von mindesten zwei lichtabsorbierenden Materialien essentiell. Außerdem sind nanostrukturierte Halbleitermaterialien von großen Interesse, weil sie vorteilhafte Eigenschaften in Bezug auf Ladungsträgerextraktion, Lichtabsorption, und Oberflächenreaktionen aufweisen. In der vorliegenden Masterarbeit wurde eine neue "side-by-side" Nanodrahtstruktur aus Cu2O und Fe2O3 entwickelt, welche theoretisch das Potential besitzt die gesamte Reaktion der solaren Wasserspaltung umzusetzen. Die Eigenschaften der genutzten AAO-Maskierungen sowie der hergestellten Nanodrahtstrukturen wurden mittels REM, XRD und photoelektrochemischen Messungen untersucht. Die Analyse belegt, dass erfolgreich Hämatit- und Cuprit- Nanodrahtarrays hergestellt werden konnten. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Kurzschlussstromdichte der Cu2O-Nanodrahtarrays um 22 % höher liegt im Vergleich zu einem planaren Cu2O-Dünnflilm.
Dynamische Oberflächenphotospannungsmessungen an thermisch oxidierten Silizium-Wafern zur Bestimmung der Bandverbiegung und Ladungsträgerlebensdauer. - 71 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2015
Durch die fortwährende Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen wird der Einfluss der Grenzflächen immer größer, weshalb es notwendig ist, sich mit den Grenzflächeneigenschaften und auch deren Beeinflussung auseinanderzusetzen. Ein mögliches Messverfahren zur Untersuchung von Grenzflächen ist die Messung der Oberflächenphotospannung. Dabei werden durch Anregung mit Licht Überschussladungsträger generiert, die eine Änderung der Bandverbiegung an der zu untersuchenden Ober- bzw. Grenzfläche des Halbleiters zur Folge haben. Die zeitaufgelöste Messung der Oberflächenphotospannung (dynamische Oberflächenphotospannungsmessung) im Anschluss an einen Laserpuls lässt Rückschlüsse auf Ladungen an der Grenzfläche sowie die Minoritätsladungsträgerlebensdauer zu. Die Lebensdauer wird u.a. von Zuständen an der Grenzfläche beeinflusst. In dieser Arbeit wurde zunächst der Einsatz der dynamischen Oberflächenphotospannungsmessung als Lebensdauermessmethode überprüft. Dazu wurde zuerst die zur Auswertung benötigte Größe der maximalen Überschussladungsträgerdichte für die verwendete Messapparatur bestimmt. Die damit berechneten Lebensdauern wurden dann mit Ergebnissen zweier etablierter Lebensdauer-Messverfahren verglichen. Die Gegenüberstellung mit Lebensdauern, die aus der Messung der quasi-stationären Photoleitfähigkeit erhalten wurden, zeigte eine gute qualitative und quantitative Übereinstimmung der Lebensdauern im Bereich mittlerer Überschussladungsträgerdichten. Der Vergleich mit Lebensdauern, die aus Messungen des Mikrowellen-detektierten Photoleitfähigkeitsabklingens stammen, wies auch hier eine gute qualitative Übereinstimmung auf. Im Folgenden wurde die dynamische Oberflächenphotospannungsmessung genutzt, um die in der Halbleitertechnik häufig verwendete Siliziumdioxid-Schicht zu untersuchen. Es konnten Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften der Silizium-Siliziumdioxid-Grenzfläche und den verwendeten Oxidationsparameter aufgezeigt werden. So kommt es bei Zunahme der Oxiddicke zu einer Abnahme der festen Ladungen in der Oxidschicht sowie einer Zunahme der Ladungsträgerlebensdauer. Die Untersuchung der festen Oxidladung gelang mit Hilfe dieser Messmethode erstmals auch für dünne Oxide mit Schichtdicken von nur bis zu 2 nm.
Selbstanordnung und Manipulation von Porphyrin-Molekülen auf Ag(111). - 58 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2015
Porphyrine sind organische Farbstoffmoleküle, die aufgrund ihres sehr breiten Spektrums von Funktionen vielfältige technische Anwendungsmöglichkeiten besitzen. Mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops können auf einer Metalloberfläche adsorbierte Porphyrin-Moleküle untersucht und manipuliert werden. In dieser Bachelorarbeit wurden Experimente an TBrPP-Co-Molekülen auf Ag(111) durchgeführt. Es wurden drei verschiedene Anordnungen der Moleküle auf der Kristalloberfläche gefunden, von denen sich eine durch kovalente Verbindungen zwischen den einzelnen Molekülen und die anderen beiden durch periodische Anordnungen der Moleküle mit unterschiedlichen schiefwinkligen Übergittern gegenüber der Ag(111)-Grundstruktur auszeichnen. Im Rahmen von Manipulationsexperimenten wurden drei Arten der Molekülmanipulation an einzelnen TBrPPCo-Molekülen durchgeführt. Die Moleküle konnten mit Hilfe der Tunnelspitze lateral auf der Silberoberfläche bewegt und vertikal dazu aufgehoben werden. Durch Injektion von Tunnelelektronen konnten außerdem Bromatome in der Molekülperipherie vom Rest des TBrPP-Co abgetrennt werden. Zusätzlich wurde mittels Tunnelspektroskopie auch die elektronische Struktur des TBrPP-Co analysiert.
Terahertz-Dynamik optisch angeregter Ladungsträger in Graphen. - 67 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Graphen, ein zweidimensionaler Kohlenstoff-Halbleiter, zeichnet sich aus durch seine verschwindene Bandlücke sowie die lineare Dispersion der niederenergetischen Ladungsträger, welche sich wie masselose Dirac-Fermionen verhalten. Mittels optischer Anregung-Terahertz-Abfrage-Spektroskopie wird die Dynamik dieser Ladungsträger in epitaktisch gewachsenem, quasi-intrinsischen Multilagen-Graphen über einen weiten Bereich von Anregungsdichten untersucht. Für moderate Fluenzen ist eine photoinduzierte Zunahme der Intraband-Absorption festzustellen, welche über einen biexponentiellen Zerfall innerhalb von Pikosekunden relaxiert. Dieses kann auf die erhöhte Konzentration optisch generierter freier Ladungsträger in den quasi-intrinsischen Graphenlagen zurückgeführt werden. Via Elektron-Elektron-Streuung findet eine schnelle Thermalisierung der Ladungsträger statt, die sich anschließend durch Energietransfer an das Gitter abkühlen. Die positive Änderung der Drude-Leitfähigkeit im Terahertz-Spektralbereich stellt sich als eine sublineare Funktion der Anregungsstärke dar. Zudem verlangsamt sich mit zunehmender Fluenz die Relaxation via Phonon-Emission geringfügig aufgrund des steigenden Einflusses angeregter Gitterschwingungen. Bei intensiver optischer Anregung wird ein veränderter Terahertz-Respons für die Raumtemperatur-Messungen beobachtet. Unmittelbar nach der Anregung manifestiert sich eine transiente Reduktion der Photoleitfähigkeit, deren Ausmaß und Dauer stark von der angewandten Pumpfluenz abhängig ist. Das Auftreten eines Schwellwertes kann auf stimulierte Terahertz-Emission hindeuten, welche bereits durch mikroskopische Berechnungen vorausgesagt wurde und eine phonon-bedingte Besetzungsinversion involviert.
Plasmon-verstärkte Filter- und Polarisationseigenschaften von Metall-Isolator-Metall Strukturen. - 62 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2015
In der Arbeit werden Filter- und Polarisationseigenschaften von strukturierten Metall-Isolator-Metall Schichtsystemen mit Abmessungen unterhalb der Wellenlänge sichtbaren Lichts mithilfe des FDTD-Algorithmus untersucht. Aufbauend auf einer Veröffentlichung von Xu et al. ("Plasmonic nanoresonators for high-resolution colour filtering and spectral imaging", Nature Communications 1 (2010): 59) werden effiziente, linearpolarisierende Farbfilter auf Basis einer Gitterstruktur von Metall-Isolator-Metall Schichtsystemen betrachtet und die Einflüsse der Geometrieparameter und Materialien diskutiert. Es werden optimale Parameter gefunden und Parameter zum Einstellen der Bandbreite sowie des Maximums der Transmission vom nahen Ultravioletten bis ins Infrarote dargestellt. Außerdem wird eine andere Strukturierung des Metall-Isolator-Metall Schichtsystems vorgestellt, die als polarisationswinkelabhängiger Farbfilter fungiert, ähnlich der Struktur von Ellenbogen et al. ("Chromatic Plasmonic Polarizers for Active Visible Color Filtering and Polarimetry", Nano Letters 12.2 (2012): 1026-1031). Bei senkrechtem Einfall weißen Lichts werden für die beiden orthogonalen Polarisationsrichtungen des einfallenden Lichts zwei verschiedene Farben herausgefiltert. In Kombination mit einem Linearpolarisator lässt sich die Farbe des Filters umschalten. Die vorgestellte Struktur zeichnet sich durch klar definierte Transmissionsbänder aus. Mit dieser Struktur lässt sich bei bestimmten Wellenlängen linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht umwandeln.
Simulation eines sensitiven Teilchendetektors für den Cryogenic Storage Ring (CSR). - 75 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2015
Zum Nachstellen interstellarer Kollisionen zu gleichen Bedingungen am Max-Planck-Institut für Kernphysik werden am Speicherring CSR (Cryogenic Storage Ring) interstellare Bedingungen hergestellt, bei denen kalte Molekülionen im Ultrahochvakuum durch elektrische Felder gespeichert werden und kurzzeitig mit extern zugeführten Atomen interagieren. Bei den hier untersuchten Ladungsübertragungskollisionen soll ein Detektor in die ladungsspezifisch separierten Trajektorien der entstehenden D+-Ionen eingebracht werden. Ziel dieser Bachelorarbeit ist es darum, unter Zuhilfenahme von Simulationen ein Detektordesign zu kreieren, das in der Lage ist, selbst einzelne Produkte einzufangen und in ein auslesbares Signal zu übermitteln. Dabei sollen die Reaktionsprodukte (mit maximalen kinetischen Energien im Bereich von kilo-Elektronenvolt) innerhalb eines kleinen Gehäuses auf eine Metallplatte stoßen, die daraufhin Sekundärelektronen emittiert, welche durch das elektrische Feld im Design auf einen Sekundärelektronenvervielfacher fokussiert und dort registriert werden. Im Laufe der Arbeit werden verschiedene Designs einer solchen Anordnung besprochen und untersucht, wobei Fragen zur Allgemeingültigkeit und notwendigen Komplexität des jeweiligen Designs gestellt und beantwortet werden. Durch Präsentation der Resultate mittels MATLAB werden sowohl die erreichte Effizienz als auch die durch die Primärteilchen verursachten Intensitätsverteilungen am Detektor dargestellt und diskutiert. Aufgrund des letztendlich sehr zufriedenstellenden Wirkungsgrades von mehr als 99.5% zum Auffangen der Sekundärelektronen unter den schwierigen Experimentierbedingungen und Materialanforderungen lässt sich konstatieren, dass das finale Design gute Detektiermöglichkeiten liefert. Durch Nachskalieren ließe sich das System aber auch gut auf andere Anwendungen übertragen.