Studienabschlussarbeiten

In der vorliegenden Arbeit wird das erste erfolgreiche Wachstum von einkristallinem dünnen Galfenol (Fe1-xGax)-Schichten auf GaAs (110) mittels Molekularstrahlepitaxy (MBE) behandelt. Hierbei ist zwischen die Galfenol-Lage und das GaAs (110) eine ZnSe-Lage implementiert worden, um eine Diffusion des Ga in die Fe-Lage zu verhindern. - Bei Galfenol handelt es sich um ein magnetostriktives Material, welches in einkristalliner Form eine Magnetostriktion von bis zu 400 ppm aufweist. Dies in Kombination mit den sehr guten mechanischen Eigenschaften macht Galfenol zu einem vielversprechenden Kandidaten für mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS)-Anwendungen. - Aus diesem Grund ist ein besseres Verständnis der magnetischen Charakteristika von Galfenol in Dünnschichtform notwendig, was den Anstoß zu der vorliegenden Arbeit gegeben hat. - Die Ga-Dotierung der Fe-Lage ist bei einer Probentemperatur von 150 [Grad]C erfolgt. Bei einer Temperatur der Fe-Quelle von 1350 [Grad]C hat die Wachstumsrate von Fe 7 nm/h betragen. Die Ga-Quelle ist in einem Bereich von 820 [Grad]C bis 900 [Grad]C betrieben worden, was zu Dotierungen von 8.1 at.% Ga, 16.3 at.% Ga, 19.4 at.% Ga, 26.1 at.% Ga und 26.3 at.% Ga geführt hat. Ga-Konzentrationen sind mittels X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) bestimmt worden. - Für die Beurteilung der Qualität der Galfenol-Lage sind Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED)- sowie Vibration Sample Magnometer (VSM)-Messungen verwendet worden. Die RHEED-Messungen zeigen ein Linienmuster entlang aller drei Hauptachsen für alle Konzentrationen, was auf ein erfolgreiches Wachstum von einkristallinem Galfenol schließen lässt. Dieses Ergebnis wird durch die deutlich sichtbare Anisotropie in den mittels VSM entlang der drei Hauptachsen gemessenen Hysteresekurven bestätigt. - Zur Analyse des Heterosystems sind ebenfalls XPS-Tiefenprofile angefertigt worden.

Für eine industrielle Produktion von Polymer-Solarzellen ist es unerlässlich neue Lösungsmittel für das Standard -Materialsystem P3HT:PCBM [Poly(3-hexylthiophen):Phenyl-[6,6]-C61-buttersäuremethylester] aufzufinden um den Wettbewerbsvorteil, gerade in Hinsicht auf die geringen Herstellungskosten, nicht zu verlieren. In dieser Arbeit wurden systematisch unterschiedliche nichthalogenierte Lösungsmittel, die für die Substitution der zurzeit verwendeten Lösungsmittel in Frage kommen, ausgewählt und untersucht. Das Verhalten der Materialen in reinen Lösungsmitteln, sowie Lösungsmittelgemischen und der daraus erzeugten Schichten, wurden durch spektroskopische Untersuchungsmethoden geprüft. Gleichzeitig wurde der Einfluss verschiedenartiger Additive auf die sich ausbildende Perkolation des Volumengemisches analysiert. Es wurde gezeigt, dass die Verwendung unterschiedlicher Additive, in der photoaktiven Lösung, großen Einfluss auf die Selbstorganisation des P3HT hat. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurde das Verhalten von Additiven auf die charakteristischen Kennzahlen der Solarzelle untersucht. Es wurde festgestellt, dass sich durch Zugabe der Additive immer eine Verbesserung der Solarzellenparameter einstellt, solange eine bestimmte Konzentration nicht überschritten wurde.

In der vorliegenden Arbeit wird die elektronische Struktur des Einzelmolekülmagneten Fe4(OCH2)6(C4H9ON)6 berechnet. Zunächst wird kurz in das Themengebiet des Einzelmolekülmagnetismus eingeführt, wobei der Schwerpunkt auf den besonderen physikalischen Eigenschaften dieser Moleküle und daraus resultierenden technischen Perspektiven liegt. Im anschließenden Kapitel werden zwei Methoden zur Berechnung der elektronischen Struktur vorgestellt, die Hartree-Fock-Methode und die Dichtefunktionaltheorie (DFT). Dabei werden die Vor- und Nachteile der jeweiligen Methode besonders herausgestellt. Im dritten Teil der Arbeit werden eigene DFT-Rechnungen zum Einzelmolekülmagneten Fe4(OCH2)6(C4H9ON)6 präsentiert, bei denen v.a. die magnetische Anisotropieenergie von Interesse ist.

Bei einer Bestrahlung mit Licht zeigen metallische Nanostrukturen interessante Eigenschaften, die der Anregung gekoppelten Moden aus Photon und Oberflächenplasmonen, d. h. so genannten Oberflächenplasmon-Polaritonen, zuzuordnen sind. Durch eine geeignete Nanostrukturierung der Metall-Grenzfläche können die Eigenschaften dieser optischen Moden in weiten Teilen kontrolliert werden. Dadurch hat sich in den letzten Jahren ein breites Spektrum an neuen Anwendungsbereichen ergeben. Viele dieser Anwendungen sind momentan durch die außerordentlich kurze Lebenszeit der Oberflächenplasmon-Polaritonen von 10 bis einigen 100 fs beschränkt. Diese Einschränkung resultiert aus den hohen Strahlungsverlusten innerhalb der Nanostrukturen sowie aus ohmschen Verlusten im Metall. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine mögliche Strategie zur Kompensation dieser Verluste anhand eines Prototypsystems aus periodisch angeordneten Metall-Nanodrähten in Verbindung mit einem Gain-Material theoretisch untersucht. Dabei kommen verschiedene numerische Methoden zur Lösung der Maxwell-Gleichung zur Anwendung. Es zeigt sich, dass es zu einer Kompensation der Verluste der Oberflächenplasmon-Polaritonen kommt. Außerdem wird die Abhängigkeit der Kompensation der Verluste von verschiedenen Parametern untersucht. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der Drahtform auf die Anregung von Oberflächenplasmon-Polaritonen. Dazu wird ein Nanodrahtsystem auf einem Polymersubstrat mit einem rechteckigen und halb-elliptischen Drahtquerschnitt aufgebracht und diese miteinander verglichen. Es wird gezeigt, dass im Falle der rechteckigen Drahtform die Moden an der Gitterunterseite und im Falle der halb-elliptischen Drahtform die Moden an der Gitteroberseite verstärkt werden. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass die Drahtform einen direkten Einfluss auf die Resonanzposition der Oberflächenplasmon-Polaritonen hat.

Polymere Solarzellen haben in der Vergangenheit gezeigt, dass sie trotz niedriger Wirkungsgrade gegenüber konventionellen Solarzellen wesentliche Vorteile besitzen. Diese bestehen einerseits in den geringen Produktions- und Energiekosten und andererseits in der Vielzahl von möglichen Anwendungen, die durch die Flexibilität von Substrat und den organischen Schichten gewährleistet wird. Durch die in der Vergangenheit vielfältig durchgeführten Optimierungsprozesse konnte man Wirkungsgrade von bis zu 6% erzielen, obwohl ein genaues Verständnis über die zu Grunde liegenden Prozesse bislang ausbleibt. Ein wesentlicher Einflussparameter auf die Effizienz der polymeren Solarzelle ist die Morphologie der aktiven Schicht, welche aus einer Mischung aus Donor- und Akzeptormaterial besteht. In bisherigen Arbeiten wurden meist nur Optimierungen hinsichtlich der Herstellungsparameter vorgenommen. Jedoch fehlt immer noch ein umfangreiches Verständnis darüber, welchen Einfluss diese Parameter auf die morphologischen Eigenschaften haben. Hierzu wurden in der vorliegenden Arbeit Morphologie-Eigenschafts-Korrelations-Untersuchungen vorgenommen, indem sowohl Tempertemperatur und PCBM-Konzentration systematisch variiert wurden. Die verwendeten Untersuchungsmethoden waren hierbei die optische Mikroskopie, die Rasterkraftmikroskopie, die spektrale Messung der Photolumineszenz und die der externen Quanteneffizienz, sowie die elektrische Charakterisierung mittels Strom-Spannungs-Messungen. - Aufgrund des gewählten Rasters und der beobachteten Phasenseparation konnte ein grobes Phasendiagramm erstellt werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Unterschiede der Mischungsmorphologie zu einer Variation des Kurzschlussstromes von einer Größenordnung beitragen. Die Entmischung von Polymer und Fulleren in zwei Phasen wurde ab 150 [Grad] C beobachtet und führt bei geeignetem PCBM-Gehalt zu einem optimalen Verhältnis zwischen Exzitonentrennung an der Grenzfläche von Polymer zu Fulleren und dem Ladungsträgertransport über Perkolationspfade zu den jeweiligen Elektroden. Des Weiteren konnte ein Zusammenhang zwischen elektrischen Parametern und morphologischen Eigenschaften hergestellt werden.