Studienabschlussarbeiten

GaAs/InAs Core/Shell Nanodrähte sind besonders interessant, da sich durch die Kombination aus GaAs, mit einer großen Bandlücke, und InAs, mit einer kleinen Bandlücke, ein hochleitfähiges freies Elektronengas in der InAs-Hülle bildet. Der Nanodraht verhält sich dadurch wie ein zylindrischer Leiter, was in Kombination mit magnetischen Feldern zu flussabhängigen, phasenkohärenten Transportphänomen führt. Als Beispiel sind hier (h/e)-periodische Leitwertoszillationen zu nennen. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung dieser Kohärenzeffekte bei tiefen Temperaturen und verschiedenen Verkippungswinkeln zwischen der Nanodrahtachse und dem anliegenden Magnetfeld. Dadurch ist es möglich, den Übergang von flussperiodischen Oszillationen (paralleles Feld ) zu universellen Leitwertfluktuationen (senkrechtes Feld ) zu vermessen. Eine genaue Analyse bestätigt die theoretischen Vorhersagen, dass der Transport in diesen Drähten innerhalb einer dünnen InAs-Schicht nahe der Drahtoberfläche stattfindet. Da die untersuchten Drähte außerdem über Hallkontakte verfügten, war es möglich, die ersten Tieftemperatur-Hallmessungen an Nanodrähten durchzuführen. Durch die Auswertung der Hallspannung bei verschiedenen Gatespannungen und Temperaturen konnte anschließend die Ladungsträgerkonzentration und Beweglichkeit der Drähte berechnet werden. Dabei hat sich außerdem herausgestellt, dass die Qualität des Hallsignals stark von der Größe der Hallkontakte abhängt. In vorherigen Arbeiten konnte bereits gezeigt werden, dass sich innerhalb der Drähteauch zufällige, intrinsische Quantenpunkte ausbilden können, was zu einer Quantisierung des Stromflusses führt. Diese Arbeit beschreibt nun die nötigen Prozessschritte zur Herstellung von sogenannten Bottom Gates. Mithilfe dieser Strukturen können Tunnelbarrieren und Quantenpunkte auf eine kontrollierte Art und Weise erzeugt werden, indem der Draht gezielt lokal verarmt wird. Durch erste Charakterisierungsmessungen an einer fertigen Nanodrahtstruktur konnte bestätigt werden, dass dieser Ansatz funktioniert. Die Halbleiter InSb und GaSb sind in den letzten Jahren immer mehr in den Fokus der Aufmerksamkeit gerückt, nachdem die Gruppe um Leo Kouwenhoven im Jahr 2012 die ersten Anzeichen für Majorana-Fermionen in InSb-Nanodrähten nachgewiesen hat. In dieser Arbeit werden nun die ersten Messungen an Core/Shell Drähten aus GaAs/InSb und GaSb/InAs präsentiert. Diese Heterostrukturen bilden jeweils ein sogenanntes Typ-III-System, indem das Valenzband des ersten Materials oberhalb des Leitungsbandes des zweiten Materials liegt. Durch die Vermessung der Strukturen bei Raumtemperatur kann gezeigt werden, dass in GaAs/InSb-Drähten mit t_s < 20nm, und bei ausreichend negativen Gatespannungen, ein Übergang von n- zu p-Leitung stattfindet

Den Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit bildete die experimentelle Untersuchung der Lichtausbreitung in den Wänden konisch zulaufender Tuben. Aus den Beobachtungen und Vermutungen der Gruppe um Prof. Dr. Oliver Schmidt und Dr. Libo Ma wurden die zentralen Thesen abgeleitet. Einerseits wurde vermutet, dass Licht in den Wänden inhomogener konisch zulaufender Tuben geschlossene Bahnen ausbildet. Andererseits wurde vermutet, dass die Schwingungsebene des Lichtes, während das Licht die Bahnen durchläuft, der Tangentialebene am Kegelstumpf folgt. Zur Überprüfung der Thesen wurden zwei Verfahren verwendet: die Geometrische Optik und die numerische Analyse auf Grundlage der Maxwell-Gleichungen. Auf die theoretischen Grundlagen beider Gebiete wird eingegangen. Die Geometrische Optik wird erfolgreich eingesetzt, um das Verhalten von Lichtstrahlen auf Kegeloberflächen zu untersuchen. Es kann mit Hilfe einer Geodätengleichung gezeigt werden, dass sich auf homogenen Kegeloberflächen keine geschlossenen Lichtbahnen finden lassen. Den zweiten Zugang zur Überprüfung der aufgestellten Thesen bildete die numerische Analyse mit Hilfe der Software MEEP. MEEP verwendet den Yee-Algorithmus, um die Maxwell-Gleichungen der Elektrodynamik zu diskretisieren. Es erlaubt die Implementierung komplizierter Geometrien und die Ausgabe aller elektromagnetischen Größen. Im Sinne eines besseren Verständnisses der gewonnenen Daten werden vorbereitende Simulationen an homogenen und inhomogenen dünnwandigen Hohlzylindern durchgeführt. Außerdem wurden homogene konisch zulaufende Tuben untersucht. Zur Überprüfung der Hypothesen der vorliegenden Arbeit werden Abbildungen erstellt, die die zeitliche Entwicklung der Energiedichte auf Strecken im Inneren der Tubenwände darstellen. Es werden Bahnen gefunden, die zeigen, dass die Energiedichte ausgehend vom Ort der Quelle zunächst zu kleineren Radien wandert. Die Bahn erreicht einen Umkehrpunkt bei einem minimalen Radius. Anschließend wandert die Energiedichte zu größeren Radien und verlässt danach das System. Es wird eine Strahlen-Wellen-Korrespondenz gefunden werden. Es wird ergänzend eine Quantisierungsbedingung aufgestellt. Abschließende Untersuchungen zeigen, dass die Schwingungsebene des elektrischen Feldes der Tangentialebene am Kegel folgt.

Die temperatur- und beleuchtungsabhängige Eisen-Akzeptor-Paar Assoziations- und Dissoziationsreaktion wurde sowohl in p-Typ als auch in Co-dotiertem Silizium untersucht. Zur Aufnahme der Reaktionskinetik werden zeitaufgelöste Ladungsträgerlebensdauermessungen mittels mikrowellen-detektierten Photoleitfähigkeitsabklingen durchgeführt. Die Messungen wurden an drei unterschiedlich dotierten Siliziumproben durchgeführt, als Dotanden wurden Aluminium, Gallium bzw. Indium verwendet. Eine gezielte Eisenkontamination fand mit einer Eisen(III)-Nitrat-Lösung statt. Die Assoziations- und Dissoziationszeitkonstante werden mit Hilfe der Ratengleichung aus den durchgeführten Messungen extrahiert. Die Zeitkonstanten werden anschließend für den sogenannten Arrhenius-Graphen verwendet, aus welchen die Aktivierungsenergie bestimmt werden kann. Es wurde festgestellt, dass der Assoziationsprozess ausschließlich temperaturabhängig ist, während die Dissoziationsreaktion sowohl durch die Temperatur als auch die Beleuchtungsstärke beeinflusst wird. Die Aktivierungsenergien des Assoziationsprozesses werden mit bekannten Literaturwerten verglichen. Im Falle des Indiums werden die Aktivierungsenergien in dieser Arbeit zum ersten Mal bestimmt. Darüber hinaus werden die erzielten Ergebnisse verwendet, um ein neu eingeführtes Eisen-Akzeptor-Paar Modell zu bestätigen.

Die Analyse ottomotorischer Verbrennung und Gemischbildung ist mit unterschiedlichsten physikalischen Ansätzen und technischen Umsetzungen möglich. In dieser Arbeit wird ein System, das auf Basis der Absorptionsspektroskopie arbeitet, analysiert und weitreichend modifiziert. Verwendet wurde dabei der Messaufbau ICOS, welcher von der Firma LaVision GmbH vertrieben wird. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, das vom Hersteller vorgegebene Auswertungssystem zur Bestimmung des [Lambda]-Wertes an der Zündkerze genau nachzuvollziehen und zu optimieren. Des Weiteren gelang es, zwei alternative Auswertungsstrategien zu entwickeln und in die Praxis umzusetzen. Insbesondere ist es nun möglich, den [Lambda]-Wert ohne Kenntnis von Kraftstoff- oder Luftmassen berechnen zu können. Alle benötigten Schritte zur Auswertung sind dabei detailliert beschrieben und können leicht den eigenen Ansprüchen entsprechend modifiziert werden. Die [Lambda]-Wert Bestimmung ist dadurch deutlich transparenter, sowie effizienter und genauer durchführbar.

Eine vielversprechende Möglichkeit, optische Verbindungstechnik auf Boardebene zu realisieren, sind in Glas integrierte Wellenleiter. Das Glas fungiert als Leiterplatte bzw. Halterung der Bauteile und beinhaltet zusätzlich die optischen Wellenleiter für die Signalübertragung zwischen den Bauteilen. Die Wellenleiter werden durch Ionenaustausch hergestellt. Durch den Ionenaustausch erhöht sich der Brechungsindex im Glas, so dass aufgrund der Totalreflexion innerhalb dieser Bahnen eine gezielte Wellenleitung erreicht wird. Der Ionenaustausch und der daraus resultierende Einfluss auf den Brechungsindex sind jedoch stark von der Zusammensetzung des Glases abhängig. Dafür wurden in dieser Arbeit die Zusammenhänge zwischen der Glaszusammensetzung und dem thermischen Natrium-Silber-Ionenaustausch, basierend auf den Ergebnissen von Experimenten an den Gläsern B270, D263Teco und MEMpax, herausgearbeitet. Zusätzlich wurde ein Prozessparametermodell entwickelt, das auf Grundlage der Messwerte die Diffusionseigenschaften der untersuchten Gläser ausgibt und die Simulation von Brechzahlprofilen ermöglicht. Dabei können die Parameter Diffusionszeit, Temperatur und Silbernitratkonzentration der Salzschmelze variiert werden. Dieses Prozessparametermodell wird seither beim Fraunhofer IZM genutzt, um mit nur 20 Diffusionsversuchen die Diffusionseigenschaften neuer Gläser zu ermitteln. Die Möglichkeit, Brechzahlprofile simulieren zu können, wird verwendet, um die Eignung als Wellenleiter zu ermitteln. In einem weiteren Teil wurden Transmissionsmessungen durchgeführt, die zeigen, dass der Natrium-Silberionenaustausch die Transmissionseigenschaften der Gläser und damit letztlich die Dämpfung der Wellenleiter stark beeinflusst. Auch dort werden die Messergebnisse auf die Glaszusammensetzungen zurückgeführt. Insbesondere wurde die Bildung von Silberkolloiden berücksichtigt. Auf diese Arbeit kann ein Prozessparametermodell inklusive Maskierung und Ausdiffusion aufgebaut werden, sodass die Brechzahlprofile von in Glas integrierten Wellenleitern auf der Grundlage weniger Messungen für ein unbekanntes Glas simuliert werden können.