Peter Richter, M. Sc.

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Die Rastertunnelmikroskopie (STM = Scanning Tunneling Microscope) ist der Vorläufer einer Reihe moderner rasternder Charakterisierungsverfahren für Festkörperoberflächen. Dabei wird ein Tunnelstrom als sehr lokale und stark abstandsabhaengige Wechselwirkung zwischen einer Sonde - der Tunnelspitze - und der elektrisch leitfaehigen Oberfläche für ein bildgebendes Verfahren ausgenutzt. Der Entwicklung des STM Anfang der 80er Jahre folgte die Etablierung einer Reihe weiterer rasternder Verfahren, die eine örtlich begrenzte Wechselwirkung zwischen Sonde und Spitze ausnutzen; die bedeutsamsten darunter sind ausserdem das Rasterkraftmikroskop (AFM = Atomic Force Microscope) und das optische Nahfeldmikroskop (SNOM = Scanning Nearfield Optic Microscope). Im Praktikumsversuch werden Graphit-Proben mit atomarer Auflösung untersucht.

Doreen Dentel

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Rasterelektronenmikroskope (engl. scanning electron microscope – SEM) können eine Auflösung im Bereich weniger Nanometer erreichen, was um etwa 2 Größenordnungen besser ist als bei einem Lichtmikroskop. Dazu wird ein fein fokussierter Elektronenstrahl zeilenweise über die Probe geführt. Dabei werden aus der Probenoberfläche Elektronen unterschiedlicher Energie freigesetzt. Die Intensitäten dieser Sekundär-oder Rückstreuelektronen werden für jeden Rasterpunkt des Elektronenstrahls gemessen und als Helligkeitswert zu einer Mikroskopie-Aufnahme zusammengesetzt. So entstehen Bilder mit einem anschaulichen plastischen Eindruck. Damit hat das Rasterelektronenmikroskop einen festen Platz sowohl in der wissenschaftlichen Forschungals auch in technischen Routineuntersuchungen.

Doreen Dentel

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Lichtmikroskope sind sicher die am häufigsten anzutreffenden Geräte zur mikroskopischen Abbildung. Aufgrund ihrer vergleichsweise einfachen Handhabung werden sie häufig für routinemäßige Kontrollen oder als Vorstufe vor hochauflösenden Untersuchungen (in Elektronen- oder Rastersondenmikroskopen) eingesetzt. Das tatsächliche Potenzial der Lichtmikroskopie reicht jedoch wesentlich weiter und etabliert sie als eigenständige wißenschaftliche Untersuchungsmethode. Insbesondere durch eine Reihe verschiedener Kontrastarten, die über die gewöhnliche Hellfeldabbildung hinausgehen, besitzt die Lichtmikroskopie vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Durch digitale Bildaufnahme eröffnet sich zudem die Möglichkeit, aufgenommene Bilder am Computer zu analysieren und zu vermeßen.

Gabriel Sellge, M. Sc.

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Die Elektronenspinresonanz ist ein Zweig der Hochfrequenzspektroskopie, der sich mit der Untersuchung der Eigenschaften paramagnetischer Stoffe befaßt. Mit dieser Resonanzmethode sind Außagen zum Elektronenspin, dem damit verknüpften magnetischen Moment, den gequantelten Einstellmöglichkeiten in einem äußeren Magnetfeld und den damit verbundenen Energieniveaus möglich. Einige Anwendungsbeispiele sind: Nachweis von Störstellen in Festkörpern, Untersuchung der Bindungsverhältniße, Meßung von Spindichten u. a. Die Methode der ESR ist außerdem gut geeignet, um an einer Modellprobe den Landé - Faktor für den Spin des Elektrons zu bestimmen.

Franziska Schölzel, M. Sc.

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Dieser transversale galvanomagnetische Effekt wurde 1879 von E. W. Hall entdeckt und nach ihm benannt. Mittels Hall-Effekt-Messungen können Ladungstraeger-Konzentrationen und ihre Beweglichkeit getrennt gemessen werden. Das Vorzeichen der Hall-Konstanten informiert darüber, ob vorwiegend positive oder negative Ladungsträger den Leitungsmechanismus bewirken. Der Hall-Effekt hat auch viele technische Anwendungen gefunden, wie z.B. Magnetometer, Gleichstrommesser, Signalgeber u. a.

Dr. Martin Dehnert

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Der radioaktive Zerfall ist ein grundlegender stochastischer Prozess in der Natur. In diesem Fortgeschrittenenpraktikum werden dieser Zerfall und die Eigenschaften verschiedener radioaktiver Strahlung untersucht.

Anhand von α-Strahlung werden die Rutherford-Streuung sowie das Zerfallsgesetz zur Bestimmung der Halbwertszeit eines kurzlebigen Isotops betrachtet. Mit β- und γ-Strahlung werden spektroskopische Untersuchungen durchgeführt. Außerdem ermöglicht der Versuch einen Einblick in verschiedene Arten von Strahlungsdetektoren.

Die Experimente vertiefen nicht nur das Verständnis für radioaktiven Zerfall und Strahleninteraktionen, sondern haben auch praktische Implikationen hinsichtlich des Strahlenschutzes und der Anwendungen der Radioaktivität in der modernen Technologie.

Daniel Beer, M. Sc.

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Als Thomas Johann Seebeck 1821 entdeckte, dass zwei unterschiedliche elektrische Leiter eine Spannung generieren, wenn an deren Kontaktstellen ein Temperaturunterschied herrscht (Seebeck-Effekt), sollte es noch dreizehn Jahre dauern, bis Jean Peltier nachwies, dass die gleiche Anordnung auch reversibel betrieben werden kann (Peltier-Effekt). Neben diesen beiden Effekten gibt es auch noch viele weitere thermoelektrische Effekte, wie zum Beispiel den Thomson-Effekt, Nernst-Effekt und die Benedicks-Effekte. Eine spezielle Anwendung der thermoelektrischen Effekte stellen Peltier-Elemente dar. Peltier-Elemente sind Halbleiterbauelemente, in denen ein Stromfluss die Verschiebung von Wärmeenergie verursacht und dadurch einen Temperaturunterschied entstehen laesst. Genauso gut lassen sich Peltier-Elemente aber auch als Thermogeneratoren nutzen, um elektrische Energie zu erzeugen. In diesem Versuch sollen Peltier-Elemente bezueuglich der zugrundeliegenden thermoelektrischen Effekte untersucht und charakterisiert werden.

Jannina Tepaß, M. Sc.

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Leuchtdioden (LEDs) finden im Alltag ein immer größer werdendes Anwendungsgebiet. Mittlerweile sind LEDs im Haushalt als Zimmerbeleuchtung, in TVs und zur Dekoration nicht mehr wegzudenken. Außerdem finden sie in Straßenlaternen, sowie in der Automobilindustrie Anwendung. Für die Entwicklung der blauen LEDs erhielten Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura 2014 den Nobelpreis für Physik. Rein weiße LEDs herzustellen ist nicht möglich. Der Eindruck von weißem LED-Licht kann für das menschliche Auge nur durch die Kombination roter, grüner und blauer LEDs (RGB-LEDs) bzw. durch eine Phosphorkonvertierung blauer LEDs erreicht werden. Problem der RGB-LEDs ist, dass die einzelnen LEDs unterschiedlich schnell altern und ihre Effizienz unterschiedlich von der Temperatur abhängt. Dadurch ändern sich die Farbtemperatur sowie der Farbwiedergabeindex (CRI). Aus diesem Grund hat sich mittlerweile die Phosphorkonvertierung als das Mittel der Wahl zur Erzeugung von weißem Licht durchgesetzt. Dabei wird beständig an der Erhöhung der Effizienz der LEDs (Green-Gap, UV-LEDs) und neuen Einsatzgebieten, z.B. zur Reinigung von Wasser, geforscht.

Prof. Dr. Georgeta Salvan

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Der magneto-optische Kerr-Effekt (MOKE) beruht auf der Aenderung des Polarisationszustandes von linear polarisiertem Licht nach der Reflexion an magnetischen Materialien. Der reflektierte Strahl ist elliptisch polarisiert, und der Winkel, den die grosse Ellipsenachse mit der Polarisationsrichtung des einfallenden Strahls einschliesst, ist direkt proportional zur Magnetisierung des Materials im Bereich der Eindringtiefe des Lichtes.

Annika Morgenstern, M. Sc.

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Die spektroskopische Ellipsometrie ist ein Verfahren zur Charakterisierung dünner Schichtsysteme. Trifft linear polarisiertes Licht auf eine Probe, so wechselwirkt dieses Licht mit der Materie. Diese Wechselwirkung zeigt sich in einer elliptischen Polarisierung des Lichtes. Gemessen werden hier die Änderung der Reflexionsfaktoren sowie die Phasenverschiebung des eingestrahlten und des reflektierten Lichtes. Diese Änderung bzw. Verschiebung wird mittels der ellipsometrischen Winkel Psi und Delta ausgedrückt. Um Informationen über die Probe zu erhalten, muss man ein optisches Modell annehmen. Das Modell wird dann so lange an die Messdaten angepasst, bis eine hinreichend gute Übereinstimmung gefunden wurde. Spektroskopische Ellipsometrie wird vor allem in der Forschung zur Charakterisierung von Halbleiterschichten verwendet. Auch in der Wirtschaft verwendet man dieses Messverfahren, beispielsweise in der Qualitätssicherung.

Constantin Bach, M. Sc.

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In diesem Versuch sollen die wichtigsten Eigenschaften von Diodenlasern kennengelernt werden. Der Einfluss von Injektionsstrom und Arbeitstemperatur auf die Wellenlänge und die Leistung der emittierten Strahlung einer Laserdiode werden untersucht. In den letzten Jahren sind Laserdioden als Pumplichtquellen für Festkörperlaser, insbesondere den Nd-YAG-Laser, sehr wichtig geworden, da ihre Wellenlänge gut an das Absorptionsspektrum des Festkörperlasers angepasst werden kann. Gegenüber Blitzlampen als Pumplichtquellen lassen sich so wesentlich höhere Wirkungsgrade erreichen. Im Versuch werden die Absorption des Nd-YAG-Kristalls, die Laserschwelle und die Ausgangsleistung des Nd-YAG-Lasers gemessen.

Daniel Beer, M. Sc.

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Ultraschallwandler sind Sensoren, die sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Ultraschallimpulsen geeignet sind. Sie bilden bei allen zerstörungsfreien Prüfverfahren den Schlüssel zur Lösung der Prüfaufgabe, indem akustisches übertragungsverhalten und Geometrie an den jeweiligen Probekörper angepasst werden. Die gebräuchlichen Ultraschall-Prüfköpfe arbeiten heute nahezu ausschliesslich nach dem piezölektrischen Effekt. Ein Impulsgenerator löst im Sender in schneller Folge kurze elektrische Impulse aus, die im Prüfkopf Schallimpulse erzeugen. Die aus dem Werkstoff zurückkommenden Echos werden vom gleichen Prüfkopf in elektrische Signale zurückverwandelt. Die Auswertung erfolgt mittels Oszillograph oder Rechner. Moderne Anwendungen dieser speziellen Messtechnik sind in der Materialprüfung bei der Fehlstellendiagnostik sowie in der Medizin (Sonografie) anzutreffen.

Jannina Tepaß, B. Sc.

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Der He-Ne-Laser ist ein 1960 entwickelter Gaslaser und der erste Dauerstrich-Laser. Standardmässig emittiert er rotes Licht mit 632,8 nm Wellenlänge und auch zwei Linien im infraroten Bereich, abhängig von den Beschichtungen der Resonatorspiegel. Mit verschiedenen Hilfsmitteln lassen sich jedoch zahlreiche weitere Wellenlängen einstellen. In diesem Versuch sollen Aufbau und Funktionsweise dieses Lasers untersucht werden, auch der Betrieb mit anderen Wellenlängen im roten und orangefarbenen Bereich.

Dr. Martin Dehnert

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Die 1986 von Gerd Binnig, Calvin Quate und Christoph Gerber eingeführte Rasterkraftmikroskopie (engl. atomic force microscopy, AFM) hat sich zu einer weit verbreiten Mikroskopietechnik in der Materialwissenschaft entwickelt. Bei AFM wird die Probenoberfläche mit einer an einem Biegebalken befestigten Spitze zeilenweise abgetastet. Bei vergleichsweise einfachen experimentellen Bedingungen wird routinemässig eine räumliche Auflösung im Bereich von 10 nm erreicht. Im Vakuum gelingt auch die Abbildung einzelner Atome. Mit den vielen verschiedenen Betriebsarten lassen sich mit einem Rasterkraftmikroskop neben der Form der Oberfläche auch magnetische, elektrische oder mechanische Eigenschaften abbilden und quantitativ analysieren. Dabei ist kein Vakuum, wie bei der Transmissionselektronenmikroskopie, oder leitende Oberflächen, wie bei der Rasterelektronenmikroskopie, notwendig. Praktische Anwendungen findet die Rasterkraftmikroskopie z.B. bei der Qualitätssicherung in der Halbleiterindustrie und bei der Abbildung nanostrukturierter Materialien.

Dr. Paul Zech

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In diesem Praktikumsversuch wollen wir uns mit akustischen Experimenten und deren Analogien zu quantenmechanischen Effekten beschäftigen. Die Grundlage für diesen Ansatz bildet die Ähnlichkeit der mathematischen Beschreibung beider Problemstellungen. Der Versuchsaufbau erlaubt Experimente zu verschiedenen Quantensystemen. Untersucht werden können der Rohrresonator als Analogie zum unendliche Potentialtopf, der Kugelresonator als Analogie zum Wasserstoffatom und schließlich der Rohrresonator mit periodischen Blenden als Analogie zu Elektronen im Festkörper.

Fabian Samad, M. Sc.

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Dr. Martin Dehnert

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Differenzkalorimeter dienen der Erfassung des kalorischen Verhaltens fester und flüssiger Stoffe. Dabei wird im Allgemeinen die Wärmemenge registriert, die einer Probe beim gleichförmigen Aufheizen bzw. Abkühlen oder auch unter isothermen Bedingungen zugeführt bzw. entnommen wird. Bei dieser Messmethode lässt sich üblicherweise die spezifische Wärmekapazität der Probe bestimmen. Dies ist möglich, da im Bereich von Phasenumwandlungen deutliche und für die Probe spezifische Abweichungen vom eigentlich stetigen Verlauf der Messkurve auftreten. Dabei werden Endotherme und Exotherme Prozesse unterschieden. Im ersten Fall wird ein positiver Peak gemessen, im Exothermen ein negativer. Aus dem Kurvenverlauf lässt sich direkt der Bereich der Umwandlung ablesen und durch die Bestimmung der Fläche unter dem Peak ist es möglich die Umwandlungsenthalpie zu bestimmen.

Gabriel Sellge, M. Sc.

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