Oberflächenuntersuchungen an den ionischen Flüssigkeiten EMIm[Tf2N] und BMP[Tf2N] in Verbindung mit Li[Tf2N] und dem Zwitterion Vinyl-Im(C3)-SO3. - Ilmenau. - 98 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die chemische und elektronische Struktur der Oberfläche von Elektrolyten wurde mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) analysiert. Die untersuchten Elektrolyte bestehen aus einer ionischen Flüssigkeit (IL), in der ein oder zwei Salze aufgelöst sind. Als Lösungsmittel wird entweder EMIm[Tf2N] oder BMP[Tf2N] verwendet. Binäre Elektrolyte entstehen durch das Mischen einer IL mit unterschiedlichen Konzentrationen des Lithiumsalzes Li[Tf2N]. In den binären Proben wurde eine Anreicherung von Lithium bestätigt. Diese tritt ab einer Konzentration von 0,2 M Li[Tf2N] in BMP[Tf2N] und ab 0,5M Li[Tf2N] in EMIm[Tf2N] auf. Es wurde nachgewiesen, dass binäre Elektrolyte mit EMIm[Tf2N] für Salzkonzentrationen ≥ 0,5M nicht stabil gegenüber der monochromatischen Al-Kα Röntgenstrahlung sind. In ternären Systemen wurden das Lithiumsalz Li[Tf2N] und das zwitterionische Salz Vinyl-Im(C3)-SO3 in jedem IL aufgelöst. An der Oberfläche der ternären Proben mit BMP[Tf2N] konnte kein Zwitterion nachgewiesen werden und es wurde eine Anreicherung von Lithium beobachtet. An der Oberfläche der anderen ternären Proben wurde kein Lithium nachgewiesen und die Anhäufung von Zwitterionen wurde bestätigt.
FTIR-Untersuchungen an Arsen-terminierten Silizium(100)-Oberflächen. - Ilmenau. - 48 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Die Ober- und Grenzflächen spielen eine zentrale Rolle für die Funktionsweise von Bauelementen der Optoelektronik sowie der Micro- und Nanotechnologie. Die Arsen-terminierte Silizium(100)-Oberfläche, die als virtuelles Substrat für das Aufwachsen von optoelektronischen Anwendungen wichtiger direkter Halbleiter verwendet werden kann, ist ein Beispiel dafür. In dieser Arbeit wurde diese Oberfläche erstmals mit polarisationsabhängiger Fourier-transformierter Infrarotspektroskopie untersucht. Hierbei konnte durch die Kombination mit RAS-, LEED- und XPS-Messungen die Anwesenheit von Monohydriden an asymmetrischen As-Si-Dimeren nachgewiesen und ein bereits vorhandenes Modell der Oberfläche angepasst werden. Des Weiteren wurde eine bisher unbekannte, durch oberflächennahes Arsen verursachte Absorptionsbande zwischen 2272 1/cm und 3000 1/cm gefunden.
STM-Untersuchung von Antiphasendomänen in GaP-Nukleationsschichten, präpariert auf As-terminierten Si(100)-Oberflächen. - Ilmenau. - 46 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
In dieser Arbeit wurden zwei auf Si(100):As-Oberflächen, mit einer Fehlorientierung von 0.1˚ in <111>-Richtung aufgewachsene GaP Schichten, mit den Dicken 5 nm und 10 nm detailliert mittels Rastertunnelmikroskopie untersucht. Dabei wurden insbesondere die Antiphasendomänen und Antiphasengrenzen abgebildet und analysiert. Zunächst konnte die P-reiche (2×2)/c(4×2) Oberflächenrekonstruktion mit atomarer Auflösung nachgewiesen werden. Ebenfalls konnte das Dimer-flipping, ein Wechsel der Dimerverkippung, an mehreren Stellen beobachtet werden. Weiterhin konnten verschiedene Formen und Größen von Antiphasendomänen gefunden werden. Die meisten Antiphasendomänen sind in ihrer Ausdehnung parallel zu den Stufenkanten größer als senkrecht dazu. Auf der einen Seite ist ihre Grenze typischerweise gerade, auf der anderen Seite unregelmäßig und konvex. Dies lässt vermuten, dass die Antiphasen immer dort entstehen, wo entlang der Stufenkanten des Substrats auf dem Substrat Reste der Minoritätsdomäne verblieben waren. Des Weiteren wurden an vielen Stellen Gräben parallel zu den Stufenkanten des Substrats gefunden. An vielen Stellen befanden sich kleine Antiphasendomänen innerhalb solcher Gräben. Darauf aufbauend ergibt sich die Vermutung, dass es sich bei den Gräben um Residuen darunterliegender vergrabener Antiphasendomänen handelt. Zuletzt konnte ein Modell des Antiphasenübergangs erstellt werden. Der Übergang zwischen den Domänen kann demnach, mit Ausnahme der homopolaren Ga-Ga bzw. P-P Bindung, ohne weitere Defekte erfolgen. Allerdings tritt diese idealisierte Grenze bei den beobachteten Antiphasengrenzen nur an wenigen Stelle in dieser Form auf. Tatsächlich sind an den meisten APBs zahlreiche Defekte und unregelmäßige Verläufe zu beobachten.
Einfluss der atomaren Umgebung einzelner auf V3Si(100) adsorbierter Fe-Atome auf die lokale Spektroskopie von Yu-Shiba-Rusinov-Zuständen mit einem Rastertunnelmikroskop. - Ilmenau. - 98 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Mit einem Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskop wurde eine V3Si(100)-Probe im Ultrahochvakuum mit einer normalleitenden Au- und supraleitenden Pb-Spitze erforscht. Der Fokus dieser Arbeit liegt sowohl auf strukturellen Gegebenheiten als auch auf der Wechselwirkung mit einzeln adsorbierten, magnetischen Eisenatomen. Die komplexe Präparationsprozedur hat nicht nur zur bereits bekannten Zickzack-Dimer-Rekonstruktion geführt, sondern auch zwei völlig neue Erscheinungsformen der V3Si(100)-Oberfläche hervorgebracht. Die nachträglich bei tiefen Temperaturen aufgedampften Eisenatome wurden charakterisiert. Im Gegensatz zur Spektroskopie von Defekten, die keine Unterschiede zum Rest der sauberen Oberfläche aufzeigten, sind insbesondere die durch die Fe-Atome induzierten Deformationen der Bardeen-Cooper-Schrieffer-Zustandslücke, welche abhängig vom Adsorptionsplatz sind, hervorzuheben. Durch die Verwendung einer supraleitenden Pb-Spitze konnte der Einfluss der Kammertemperatur so weit reduziert werden, dass teilweise sogar einzelne Yu-Shiba-Rusinov-Peaks aufgelöst werden konnten. Dies erzielt vor allem bei ortsaufgelösten Messungen eine deutliche Verbesserung im Vergleich zur Verwendung der normalleitenden Au-Spitze. Die mit der Asymmetrie der auftretenden Peak-Höhen zusammenhängende Kopplungsstärke kann sich mit zunehmendem Abstand zum Zentrum eines Fe-Atoms so verändern, dass eine Inversion in der Intensität innerhalb der Yu-Shiba-Rusinov-Paare stattfindet. Darüber hinaus konnten die Reichweite dieser Zustände und die dazugehörigen Fermi-Wellenvektoren für unterschiedliche Adsorptionsplätze und Rekonstruktionen bestimmt werden. Abschließend wurde eine stromabhängige Spektroskopie eines Fe-Atoms mit einer normalleitenden Au-Spitze durchgeführt.
Tieftemperaturmessungen der Diffusion und der Relaxationszeiten verschiedener Salzlösungen in Mojave Mars Simulant Böden. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
In der Arbeit wurde die Eignung von NMR-Spektroskopie zur Messung der Diffusion von Wasser auf dem Mars untersucht. Hierzu wurde Marsbodensimulant mit Perchloratlösungen gemischt und anschließend unter Mars-üblichen Temperaturen in einem High-Field NMR untersucht.
Superconducting thin Pb films studied with a 30mK scanning tunneling microscope. - Ilmenau. - 44 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
In den Experimenten der vorliegenden Arbeit wurden Eigenschaften supraleitender dünner Bleifilme näher bestimmt. Diese wurden sowohl auf einer Si(111) Oberfläche als auch einem Kristall aus schwarzem Phosphor (black phosphorus, BP) abgeschieden und mithilfe eines Rastertunnelmikroskopes (scanning tunneling microscope, STM) mit einer Basistemperatur von 30mK untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf Effekten, die durch Reduzierung der Dimensionalität des Supraleiters und Einflüsse der Grenzfläche zum Substrat hervorgerufen werden. Aufnahmen des abgeschiedenen Films bei der Proben mithilfe des STM zeigen bereits Unterschiede in der Filmstruktur. Die Filmdicken wurden durch Messung sogenannter Quantentopf-Zustände (quantum well states, QWS) mithilfe von Rastertunnelspektroskopie (STS) bestimmt, da diese Energiezustände für eine diskrete Anzahl an atomaren Pb Monolagen an spezifischen Spannungswerten auftreten. Anschließend wurden an verschiedenen Stellen des Films unterschiedlicher Dicke Spektren aufgenommen, welche die Energielücke des Supraleiters zeigen. Diese wurden durch eine Funktion angenähert, welche die Bestimmung von Parametern wie der Lückenbreite [Delta] erlaubte. Für Bleifilme auf Si(111) ändert sich die Breite für verschiedene Filmdicken und oszilliert mit einer Periodizität von zwei Monolagen. Auch die daraus berechnete Übergangstemperatur des Supraleiters wechselt dementsprechend zwischen Werten für gerade und ungerade Anzahlen an Monolagen. Beides deutet auf Effekte durch quantenmechanisch eingesperrte Elektronen aufgrund der sehr geringen Filmdicke hin, weshalb der Film als zweidimensionaler Supraleiter bezeichnet wird. Im Gegensatz dazu hängt die Lückenbreite für Pb/BP nicht von der Filmdicke ab, jedoch zeigt die Lücke eine V-Form, welche für konventionelle Supraleiter wie Blei untypisch ist. Diese Beobachtung bestärkt die Vermutung, dass der Einfluss von Grenzflächen für zweidimensionale Systeme signifikant steigt.
Herstellung von defektarmen gesputterten Al2O3-Schichten für optische Hochleistungsanwendungen mittels reaktiver Prozessführung in einer Magnetronquelle. - Ilmenau. - 64 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Ziel dieser Arbeit war die homogene Abscheidung hochreiner Al2O3-Schichten. Aufgrund seiner dielektrischen Eigenschaften können derartige Beschichtungen aus Al2O3 nur mit hohem technischen Aufwand hergestellt werden. Hierfür wurde die verwendete Magnetron-Sputteranlage erstmals im reaktiven Prozess-modus betrieben. Zu Beginn erfolgten mehrere Testläufe ohne Beschichtung. Hierbei wurde bestimmt, welche Auswirkungen die einzelnen Parameter auf den Sputterprozess haben (Hystereseverhalten). Nachdem die ersten Test-Beschichtungen, zur Bestimmung des Arbeitspunktes, nicht das gewünschte Transmissions-verhalten zeigten, wurde die Position der Sauerstoff-Zuleitung verändert. Mit Hilfe dieser Anpassung konnte ein Arbeitspunkt ermittelt werden, der sowohl die gewünschte Abscheiderate als auch Absorptionskoeffizienten (k-Wert) aufwies. Anschließend wurde bestimmt, wie homogen das Al2O3 entlang des Substrathalters abgeschieden wird und welchen Einfluss die Beschichtungszeit auf den k-Wert hat. Im Anschluss wurde ein Programm geschrieben, welches die bisher manuelle Steuerung des Prozesses ersetzte. Mit Hilfe des Programms wurden mehrere Wechselschicht-systeme (Spiegel) erzeugt. Die ersten Spiegel dienten zur Bestimmung der Schichtdickenhomogenität des Al2O3 und bestanden aus Al2O3 und Ta2O5. Hierbei zeigte sich die Komplexität beim Sputtern von Al2O3. Das Plasma brach während des Sputter-prozesses mehrfach zusammen, wodurch eine Optimierung des Steuerungs-programms notwendig wurde. Die Messwerte dieser Spiegel ließen eine hohe Homogenität der einzelnen Al2O3-Schichten erkennen. Daraufhin wurden mehrere Al2O3-SiO2-Spiegel hergestellt, anhand derer die Zerstörschwelle der Al2O3-Schichten bestimmt werden sollte. Der letzte Al2O3-SiO2-Spiegel diente zur Ermittlung der Dämpfungskonstante (k-Wert). Hierbei zeigte sich, dass nach dem Tempern (Aufheizen) des Spiegels, bessere k-Werte erzielt wurden als auf der Referenz-Anlage.
Multible Quantentopf-Strukturen aus III-V-Halbleitern für den Einsatz in Si-basierten Tandemkonzepten. - Ilmenau. - 59 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Durch die Kombination von Silizium als Absorber der unteren Zelle und multiplen GaAs_0,8 P_0,2/GaP-Quantentopf-Strukturen als Absorber der oberen Zelle können wettbewerbsfähige und hocheffiziente Tandemsolarzellen gewonnen werden. Im Rahmen der Arbeit wurden solche Quantentopf-Strukturen mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung hergestellt und hinsichtlich des Arseneinbaus, Schichtrelaxation und der Schärfe der GaAs_0,8 P_0,2/GaP-Grenzfläche untersucht. Die gefertigten Strukturen wurden in situ mittels Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie (RAS) und ex situ mittels Photolumineszenz-Spektroskopie und hochauflösender Röntgendiffraktometrie analysiert und charakterisiert. Es wurde gezeigt, dass das Wachstum solcher Quantentopf-Strukturen komplexe Schaltsequenzen der Präkursoren erfordert, um eine ausreichende Grenzflächenqualität der Struktur zu erreichen. Zudem wurde gezeigt, dass die Quantentopf-Strukturen, gewachsen auf der gradierten Pufferstruktur, das Photolumineszenz-Signal verbessern. Die Ergebnisse der Photolumineszenz-Signale können mit den Ergebnissen der RAS-Messungen korreliert werden. Die Probe mit der stärksten Intensität und der geringsten Halbwertsbreite bei den Photolumineszenz-Messungen hat das stabilste RAS-Signal während des Wachstumsprozesses.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
In dieser Bachelorarbeit wurde untersucht, ob die Konzentration bestimmter Salze (Magnesiumchlorat, Magnesiumperchlorat, Natriumperchlorat) einen Einfluss auf die NMR-Relaxationszeiten (T1 und T2) von Wasser im Marsboden-Imitat "MMS-2" hat. Dazu wurden verschiedene Proben mit dem NMR-Spektrometer "Spinsolve 43MHz" vermessen. Es konnte ein Anstieg der Relaxationszeiten mit den Salzkonzentrationen beobachtet werden. Die Messergebnisse wurden anhand eines biexponentiellen Relaxationsmodells ausgewertet und systematisch in Abhängigkeit von den Salzkonzentrationen, der Wasserkonzentration sowie der Eisenkonzentration in den Proben diskutiert.
Analysis of sodium-ion storage behaviour of reduced graphene oxide using various electrolytes. - Ilmenau. - 92 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die Einlagerung von Natrium-Ionen wird durch ungeordnete Strukturen in Kohlenstoff-Materialien verbessert und die Co-Interkalation von Lösungsmitteln in ungeordnete Strukturen verbessert die elektrochemische Leistung. Natriumionen werden zunächst an den aktiven Stellen (Defekte, Kanten) adsorbiert, gefolgt von der Interkalation in ungeordnete Strukturen in Kohlenstoffmaterialien. Hierin wird ein Kohlenstoff-Anodenmaterial, RGO, synthetisiert, getestet und charakterisiert. Das RGO wurde in drei verschiedenen Elektrolyten getestet und das RGO (getempert bei 400 ˚C) in DME-Elektrolyt haben eine reversible Kapazität von 300 mAh g-1 bei 500 mA g-1 geliefert, eine ausgezeichnete Ratenfähigkeit von 170 mAh g-1 bei 20 A g-1. Das RGO wird mittels Raster- und Transmissionselektronenmikroskop (SEM und TEM), XRD und Raman-Spektroskopie charakterisiert. CV zeigt, dass aktive Stellen im RGO die kapazitive Adsorption von Na+ dominieren, was zu einer besseren Leistung führt. Die Ladungstransferkinetik von RGO wird durch EIS untersucht. In Berücksichtigung der kostengünstigen Herstellung von RGO könnte diese Arbeit neue Erkenntnisse für Anodenmaterialien mit hoher Leistung liefern.