Studienabschlussarbeiten

Bei der Transient-Current-Technique (TCT) handelt es sich um eine opto-elektronische Methode zur Untersuchung von Photodioden. Hierbei wird die Photodiode mit einem Laserpuls mit einer Breite von wenigen Nanosekunden beleuchtet. Der dadurch in der Diode induzierte Strompuls wird zeitaufgelöst gemessen. Durch eine gezielte Bewegung des Laserpunktes auf der Ober- oder Seitenfläche der Diode wird außerdem eine Ortsauflösung erreicht. Aus den so gemessenen Strompulsen können anschließend Größen wie die in der Diode generierte Ladung, die Anstiegszeit des Signals sowie das Maximum des Pulses berechnet werden. Hierdurch wird eine Charakterisierung der untersuchten Photodiode ermöglicht. Ziel dieser Arbeit ist es, spätere TCT-Messungen am CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik vorzubereiten. Dazu gehört der Entwurf von Leiterkarten zur für die TCT geeigneten elektrischen Kontaktierung von Photodioden. Außerdem sollen Verfahren zur Bestimmung der Laserfleckgröße und zur Rekonstruktion der in der Diode induzierten Strompulse aus den gemessenen Strompulsen entwickelt und angewendet werden. Dies soll anhand verschiedener Typen am CiS entwickelter Photodioden getestet werden. Hierbei werden an diesen Dioden verschiedene Arten von TCT-Messungen durchgeführt. Ein großer Bestandteil dieser Arbeit soll die Programmierung der Auswertung von TCT-Messungen sein, um auch in Zukunft aus Messdaten die gewünschten Messgrößen automatisch berechnen und graphisch darstellen zu können. Des Weiteren sollen die in Abschnitt 3.2.1 vorgestellten Dioden durch eine Bestimmung der Zeit, die diese benötigen, um in Form eines Stroms auf eine optische Anregung zu reagieren, weiter charakterisiert werden.

Die Verwendung einer neuen Materialklasse, wie die der ionischen Flüssigkeiten, in verschiedensten Anwendungsbereiche setzt ein breites Verständnis ihrer physikalisch-chemisch Eigenschaften voraus. Dabei spielen besonders die Transporteigenschaften und die Wechselwirkung mit anderen Spezies ein wichtige Rolle. Der in dieser Arbeit verfolgte Schwerpunkt lag somit darauf ein System, bestehend aus einer ionischen Flüssigkeit und einer Spinsonde, einem stabilisiertem Radikal, zu charakterisieren. Dafür wurden mit Messungen der Kernspinresonanz sowohl die Diffusion des Systems als auch der Einfluss der paramagnetischen Spezies auf die Spin-Gitter-Relaxationszeit der ionischen Flüssigkeit untersucht. Darüber hinaus wurde mittels Elektronenspinresonanz-Spektroskopie der Spinaustausch zwischen den im System enthaltenden Radikalen analysiert und mit weiteren Messungen verglichen. Des Weiteren erfolgte für dieses System eine Untersuchung der Erhöhung der NMR-Signalintensitäten durch die dynamische Kernpolarisation.

Da fossile Energieträger durch ihre Begrenztheit und ihre schädliche Wirkung auf die Umwelt keine nachhaltige Energieversorgung darstellen und die menschliche Zivilisation durch die Verursachung des Klimawandels langfristig bedrohen, ist ein Umdenken in der Art der Energieversorgung dringend nötig. Gleiches gilt für die konventionelle Atomenergie, welche ebenfalls nur begrenzt auf diesem Planeten zur Verfügung steht. Des Weiteren kann es bei dieser jederzeit zu einem GAU (größter anzunehmender Unfall, wie in Tschernobyl oder Fukushima) kommen. Soll der Energiebedarf der Menschheit auf nachhaltigere und weniger umweltschädliche Weise gedeckt werden, ist man auf erneuerbare Energien, wie Windkraft, Photovoltaik, etc. angewiesen. Die Konkurrenzfähigkeit von Photovoltaikanlagen hängt entscheidend vom Wirkungsgrad der verbauten Zellen ab. Möchte man den Wirkungsgrad einer Solarzelle verbessern, so ist man bei konventionellen Zellen mit nur einem Absorber und ohne Konzentration des Lichtes, durch das Shockley-Queisser-Limit auf ca. 30 % begrenzt. Um Zellen mit höheren Wirkungsgraden zu erreichen, ist es z.B. möglich, Halbleiter mit unterschiedlichen Bandlücken monolithisch zu kombinieren, also Heterostrukturen zu verwenden. Dabei wird durch die unteren Teilzellen ein größerer Teil des Spektrums genutzt, während bei den oberen eine niedrigere Thermalisierung (also die Umwandlung der Photonenenergie, welche über die der Bandlücke hinaus geht, in Wärme) auftritt. Ein möglicher Ansatz basiert auf einer Heterostruktur aus Silizium mit einer Bandlücke von EG = 1,1 eV und einer Gitterkonstante von [alpha] = 5,43 Å und Galliumphosphid (EG = 2,25 eV, [alpha] = 5,45 Å), da beide eine sehr ähnliche Gitterkonstanten haben. Im Idealfall sollte die Topzelle eines Tandems mit Si als Unterzelle allerdings eine Bandlücke von ca. 1,7 eV aufweisen, so dass zum Beispiel GaAsP geeignet wäre, wobei das anfängliche GaP als Pufferschicht dienen kann, auf der ein gradierter Puffer mit steigendem Arsengehalt aufgewachsen werden kann. Die Vorteile von Silizium als Substrat sind unter anderem ein vergleichsweise günstiger Preis, gute Verfügbarkeit und dass es bereits gut erforscht ist. Es kann vorteilhaft sein, das Substrat zunächst mit einer Arsenschicht zu terminieren. Dadurch lassen sich auf dem Si-Substrat Doppelstufen (die man für die III-V-Heteroepitaxie benötigt) bei einer niedrigeren Temperatur erzeugen, als bei der typischerweise bei MOCVD-Präparation verwendeten Wasserstoffterminierung. Dadurch lassen sich Prozessdauer und -temperatur reduzieren. Zudem lässt sich in dem für die Abscheidung von GaAsP genutzten MOCVD-Reaktor ein Arsenhintergrund kaum vermeiden. Daher ist eine kontrollierte Terminierung durch eine Arsenschicht sinnvoller, als unkontrollierte Arsenverunreinigungen in Kauf nehmen zu müssen. Für eine kontrollierte Arsen-Terminierung der Oberfläche ist ein genaues Verständnis dieses Prozesses sehr wichtig. Insbesondere ist von Interesse, welche Bindungen die Oberflächenatome eingehen und welche Stufen auf der Probe vorhanden sind. STM-Messungen zeigten, dass die Oberflächenatome Dimere ausbilden und ließen aufgrund asymmetrischer Struktur weiterhin vermuten, dass es sich um As-Si-Dimere handeln könnte. Dies sollte nun genauer untersucht werden. Eine Arsenterminierung von Ge(100)-Oberflächen, welche bereits als Substrat für effizientere Solarzellen etabliert ist, hat sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, da sich die Probeneigenschaften je nach Arsenquelle sehr präzise einstellen lassen. In dieser Arbeit werden mithilfe von STM-Messungen arsenterminierte Si(100)-Oberflächen mit einer Fehlorientierung von 0,1˚ und arsenterminierte Ge(100)-Oberflächen mit einer Fehlorientierung von 6˚ auf ihre atomare Struktur hin untersucht.

Im Falle von Lithium-Ionen-Batterien ist es möglich, drei Komponenten zu verbessern - die Anode, die Kathode und den Elektrolyten. In dieser Masterarbeit wurden Elektrolyten untersucht, die als Basis ionische Flüssigkeiten besitzen. Zusätzlich wurde zur Verbesserung der Leitfähigkeit ein sogenanntes zwitterionisches Salz hinzugefügt. Die Leitfähigkeit wurde mit elektrostatischer Impedanzspektroskopie bestimmt und diskutiert. Das Hauptaugenmerk der Arbeit liegt auf der Oberflächenzusammensetzung der Elektrolyten. Diese wurde mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) ermittelt. Diese Messmethode ist sehr oberflächensensitiv und findet in einem Ultra-Hoch-Vakuum statt. Flüssigkeiten sind in der Regel von solchen Untersuchungen ausgeschlossen, doch der geringe Dampfdruck der ionischen Flüssigkeiten machen sie zu einem interessanten Forschungszweig. Das zwitterionischen Salz hat in Abhängigkeit von der verwendeten ionischen Flüssigkeit in Bezug auf die Oberfläche unterschiedliche Auswirkungen.

Die Phosphid-Strukturen für solare Wasserspaltung wurden in dieser Arbeit untersucht. Das Ziel ist die zeitaufgelöste spektroskopische Ellipsometrie anzuwenden, um ultraschnelle Prozesse in Halbleitern und Halbleitern mit Polymerbeschichtungen für solare Wasserspaltung nachzuweisen. Die von dem zeitaufgelösten spektroskopischen Ellipsometrie-Aufbau gemessene Daten wurden analysiert. Die erste Probe war GaP, das als Elektroden für photoelektrochemische Zellen verwendet sein kann. Die zweite und die dritte Probe waren GaP mit 2 verschiedenen Polymerbeschichtungen - PEI und PEI+PSS, die als Schutzbeschichtungen für PEC verwendet sein können. Es wurden ultraschnelle Prozesse in GaP und der Einfluss von Polymer auf die Absorptionseigenschaften den Halbleitern mithilfe der ellipsometrischen Spektren mit Femtosekunden Zeitauflösung untersucht. Die Ergebnisse für GaP Probe zeigten Interbandübergänge an [Gamma] Punkt der Brillouin Zone bei 2,74 eV und 2,84 eV, an L bei 3,6 eV, und Intrabandübergänge im Leitungsband bei 2,8 eV. Die Proben mit Polymerbeschichtung wurden mit niedrigem Absorptionsgrad bei hohen Energien charakterisiert, mit höherem Absorptionsgrad bei 2,8 eV, sowie eine zusätzliche Absorption bei 2 eV. Das Absorptionsmaximum ging bei den Proben mit Polymerbeschichtung schneller zurück.