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Strukturelle und
elektronische Eigenschaften von an Metalloberflächen adsorbierten
organischen Molekülen
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Allgemeine
Kurzinformation zum Thema:
Im Rahmen des Sonderforschungbereiches SFB 569 werden Möglichkeiten
zur Funktionalisierung anorganischer Oberflächen mit Hilfe organischer
Moleküle untersucht. Hierzu soll mit unserem neuen Raster-Tunnelmikroskop
(STM), das im Ultra-Hoch-Vakuum (UHV) und bei tiefen Temperaturen
(~5K) betrieben wird, die elektronischen (Tunnelspektroskopie, elektronische
Zustände) und die dynamischen Eigenschaften (inelastische Tunnelspektroskopie,
phononische Zustände) von Oligothiophenen in enger Zusammenarbeit
mit der Abteilung für Organische Chemie II bestimmt werden. |
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Aufgabenstellung:
Es sollen Gold-Substrate (Gold-Film auf Glas, evtl. auch Einkristalle
im UHV) so präpariert werden, dass sie vorzugsweise die (111)
-Oberfläche mit ausgedehnten, atomar glatten Terrassen ausbilden.
Auf diese sollen die Moleküle, zuerst 3-Thiophene, in geringen
Bedeckungen und als Monolage aufgebracht werden, so dass sie mit dem
STM untersucht werden können. Zwecks leichterer Handhabung sollen
die ersten Experimente mit einem Luft-STM unternommen werden. Später
sollen die Messungen bei tiefen Temperturen durchgeführt werden,
um zuverlässige Aussagen über die elektronische und vibronische
Struktur der Moleküle zu erhalten. Die Arbeit schliesst eine
enge Kooperation mit der Organischen Chemie II und evtl. mit der theoretischen
Physik ein. Die Entwicklung einer UHV-kompatiblen Präparationstechnik
der Moleküle auf den o.g. Substraten wird ebenfalls angestrebt. |
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Angewandte
Techniken:
Präparation von Gold-Filmen auf Glas mittels Flammenglättung;
Deposition von Molekülen auf die Gold-Oberfläche; Umgang
mit einem STM (an Luft, im UHV und bei tiefen Temperaturen) und einem
Ultra-Hoch-Vakuum-Cluster; Datenerfassung/-Auswertung mit einem PC;
evtl. AFM. |
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Die
Coulomb-Blockade regelmäßig angeordneter Metallinseln
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Allgemeine
Kurzinformation zum Thema:
Die Änderung der Ladung Q auf einem Kondensator C bewirkt eine
Änderung der am Kondensator C anliegenden Spannung U gemäß
C = Q/U. Die Quantisierung der elektrischen Ladung in e =1.6E-19C
macht sich folglich in einer Quantisierung der an C anliegenden Spannung
bemerkbar. Allerdings ist diese Quantisierung in der Energie E in
dem Kondensator E = e2/2C so klein gegen die thermische
Energie Eth = kBT, daß
diese Quantisierung vollständig thermisch verschmiert wird. Bei
ausreichend kleiner Kapazität (C~10-18F) verbietet
jedoch die Energieerhaltung bereits bei Zimmertemperatur die Umladung
des Kondensators, wenn nicht eine Spannung angelegt wird, die vergleichbar/größer
ist als Uc = Eth /e. Derartig kleine Kapazitäten
besitzen z.B. Nanometer große Metallkügelchen, die sich
ca. 1 nm vor einer metallischen Oberfläche befinden. Die energetisch
bedingte Blockierung von Umladeprozessen führt dann z.B. dazu,
daß ein Tunnelstrom über dieses Kügelchen evtl. vollständig
unterdrückt wird bzw. die sonst unabhängig tunnelnden Elektronen
hier zeitlich korrelieren müssen. Man spricht von der Coulomb-Blockade. |
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Aufgabenstellung:
In einer vorangegangenen Diplomarbeit (Carsten Wilderotter) wurde
versucht, mit einem aus der Abteilung Organ. Chemie III bekannten
Verfahren regelmäßig angeordnete Goldkügelchen auf
eine metallische Oberfläche (hier auch Au) so aufzubringen, dass
diese Anordnung auch mit einem Raster-Tunnel-Mikroskop untersucht
werden kann. In einer weiteren Diplomarbeit sollen nun die Au-Kügelchen
ausreichend von der metallischen Unterlage entkoppelt und die Coulomb-Blockade
für einzelne Teilchen nachgewiesen werden. Anschließend
sollen der Einfluß von Nachbarn, regelmäßigen Anordnungen
der Teilchen und der Einfluß intensiver elektromagnetischer
Wechselfelder (Oberflächenplasmonen) untersucht werden.
Vergleiche hierzu auch "Die Coulomb-Blockade linear angeordneter Metallinseln".
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Angewandte
Techniken:
Präparation von glatten Metallfilmen, Aufziehen von Polymer-Mizellen,
Plasma-Ätzen, Raster-Tunnel-Mikroskopie, Raster-Kraft-Mikroskopie,
Unterdrückte Totalreflexion (ATR) mit Laser(n), Computer zur
Datenerfassung/- verarbeitung/-visualisierung. |
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Die
Feldemission von regelmäßig angeordneten Diamant-Nanoemittern
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Allgemeine
Kurzinformation zum Thema:
Diamant ist in vielerlei Hinsicht ein ganz besonderes Material. Nachdem
man nun heute technisch in der Lage ist, künstlich Diamant herzustellen,
wird gleichzeitig auch versucht, diese Eigenschaften technisch zu
nützen. Eine davon ist die sogenannte negative Elektronen-Affinität,
d.h. Elektronen im Leitungsband des Diamantes können selbigen ohne
Energieaufwand verlassen, da das Leitungsband energetisch höher liegt
als das Vakuumniveau. Es liegt also nahe zu versuchen, den Diamant
als emittierendes Material für Elektronenquellen zu verwenden, z.B.
in sogenannten flachen Displays. Wir sind hier in der Abteilung Festkörperphysik
in der Lage sind, sehr dichte Felder von Diamant-Nanospitzen herzustellen,
die eine extrem hohe Luminosität erwarten lassen. |
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Aufgabenstellung:
Die Felder von Diamantemittern sollen präpariert, auf ihre Emissionseigenschaften
hin eingehend untersucht und der Präparationsprozeß auf die Emissionseigenschaften
hin optimiert werden. Die Felder werden auf käuflich erhältlichen,
künstlichen Hochdruck-Hochtemperatur-Diamantsubstraten präpariert.
Nach einem Politurschritt werden mizellare, goldbeladene Polymer-Lösungen
aufgebracht, die auf dem Diamant eine einzige Lage bilden. Das Polymer
wird in einem Plasma verascht und gleichzeitig der freiwerdende Diamant
geätzt, während der Diamant unter den goldbeladenen Mizell-Kernen
geschützt ist. Die zurückbleibenden Goldkappen werden bei ca. 1100°C
vedampft. Anschließend wird die Diamantoberfläche mit Wasserstoff
terminiert. Die Charakterisierung der entstehenden Diamantemitter
findet in einem Raster-Tunnelmikroskop (im Ultra-Hoch-Vakuum) statt,
indem speziell dafür hergestellte Spitzen verwendet werden. Evtl.
ist zur Optimierung der Diamantspitzen ein kurzer Wachstumsschritt
(in einem vorhandenem Diamant-CVD-Reaktor) nötig. |
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Angewandte
Techniken:
Mechanische Politur und chemomechanische Politur von Diamant; Aufziehen
mizellarer Lösungen; Plasmaätzen; STM, AFM; CVD-Diamant-Synthese;
UHV-Techniken. |
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Weiterentwicklung
eines Rasterkraftmikroskopes zur Charakterisierung von Nanostrukturen
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Aufgabenstellung:
Ein in einer vorangegangenen Diplomarbeit in Betrieb genommenes
selbstkonzipiertes Rasterkraftmikroskop (AFM) zur Charakterisierung
von Nanostrukturen soll im Hinblick auf seine Stabilität und
leichtere Bedienbarkeit verbessert werden. Hierzu sollen insbesondere
die Komponenten des optischen Detektionssystems verbessert, d.h. leichter
adjustierbar und stabiler, gemacht werden und andererseits durch gezielte
Wahl der Materialien die innere Stabilität erhöht und die
thermische Empfindlichkeit reduziert werden. Es soll außerdem
bestimmt werden, ob durch Miniaturisierung des AFM-Kopfes eine weitere
mechanische Verbesserung erzielt werden kann, ohne Auflösungsvermögen
zu verlieren.
Physikalisch soll das AFM dazu genutzt werden, die Adhäsion von
mithilfe der mizellaren Technik hergestellten Nanoteilchen auf ihren
Substraten zu bestimmen, um damit Aussagen über die mechanische
Verbindung der Nanoteilchen zu ihren Unterlagen, d.h. über die
Eigenschaften des Kontaktes, zu gewinnen. Hierbei wird das AFM sowohl
im Kontaktmodus als auch im Tapping-modus betrieben. Weitergehend
können dann die gewonnenen Kenntnisse zur Manipulation der Nanoteilchen,
d.h. zur gezielten Veränderung der Anordnung, genutzt werden.
Der Diplomand kann sich auf die Verbesserung des AFM's und die Messungen
mit dem AFM konzentrieren. Die Proben mit den Nanoteilchen werden
von einer anderen Gruppe innerhalb des Institutes bereitgestellt.
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Aufbau
eines UHV-Rastertunnelmikroskopes zur Bestimmung von molekularen Thermokräften
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Aufgabenstellung:
Ein bestehendes UHV-System soll um ein Rastertunnelmikroskop (STM)
erweitert werden, das im Gegensatz zum vorhandenen Tieftemperatur-STM
bei Raumtemperatur betrieben wird. Hiermit sollen Routine-Messungen
durchgeführt werden, die keine tiefen Temperaturen erfordern.
Insbesondere soll an diesem STM die Methode der Potentiometrie zur
Bestimmung von Oberflächenpotentialen bzw. Thermokräften
(d.h. in Gegenwart einer Temperaturdifferenz zwischen Tunnelsensor
und Probe) implementiert werden.
Der Aufbau erfordert den Umgang mit UHV-Komponenten. Ein geeignetes
STM ist vorhanden; es muss jedoch bzgl. elektrischen Verbindungen
und mechanischer Entkoppelung an die neue Kammer angepasst werden.
Eine Steuerelektronik und das computergestützte Datenerfassungssystem
für das STM sind im Prinzip vorhanden, sollen aber in naher Zukunft
reproduziert werden.
Physikalisch sollen die Potentiometrie genutzt werden, um Thermokräfte
einer Metall-Vakuum-Metall-Tunnelverbindung zu messen, wobei die Probe
zum Beispiel eine Goldoberfläche ist (Au(111)), die auch mit
organischen Molekülen belegt werden kann.
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Aufbau
einer Vakuum-Apparatur zur Bestimmung von Feldemissionscharakteristiken
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Aufgabenstellung:
Im Bereich der Nanostrukturierung sind immer wieder strukturierte
Oberflächen interessant, die sich als kalte Elektronenemitter
eignen. Dies begründet sich hauptsächlich auf der Anwendung
als Leucht- bzw. Bildschirm, der im Gegensatz zur konventionellen
Elektronenröhre mit Niederspannung betrieben werden und extrem
flach sein könnte. Kalte Feldemitter spielen aber auch in z.B.
der Elektronenmikroskopie eine herausragende Rolle, da sie eine extrem
hohe Brillanz und Energieauflösung aufweisen. Man sich sogar
vorstellen mithilfe der Nanostrukturierung flächige Elektronenquellen
herzustellen, die ebene und kohärente Elektronenwellen produzieren.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll eine kleine Vakuumkammer konzipiert
und aufgebaut werden, in der die Emissionscharakteristika solcher
nanostrukturierter Feldemitter bestimmt werden können. …
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