Versuche BSc
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Rote Gruppe
1. Versuch: Versuchstage 21.10. / 22.10. / 28.10. / 29.10.
Protokollabgabe am 05.11.24
2. Versuch: Versuchstage 18.11. / 19.11. / 25.11. / 26.11.
Protokollabgabe am 03.12.24
3. Versuch: Versuchstage 06.01. / 07.01. / 13.01. / 14.01.
Protokollabgabe am 21.01.25
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Blaue Gruppe
1. Versuch: Versuchstage 04.11. / 05.11. / 11.11. / 12.11.
Protokollabgabe am 19.11.24
2. Versuch: Versuchstage 02.12. / 03.12. / 09.12. / 10.12.
Protokollabgabe am 17.12.24
3. Versuch: Versuchstage 20.01. / 21.01. / 27.01. / 28.01.
Protokollabgabe am 04.02.25
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Grüne Gruppe
1. Versuch: Versuchstage 06.11. / 07.11. / 13.11. / 14.11.
Protokollabgabe am 21.11.24
2. Versuch: Versuchstage 04.12. / 05.12. / 11.12. / 12.12.
Protokollabgabe am 19.12.24
3. Versuch: Versuchstage 15.01. / 16.01. / 22.01. / 23.01.
Protokollabgabe am 30.01.25
Übersicht der Versuche im Fortgeschrittenen Praktikum
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Ellipsometer (dieses Semster nicht angeboten)
Die Ellipsometrie ist ein in der Laborpraxis weit verbreitetes und gängiges Verfahren zur Bestimmung von Brechungsindizees oder von Schichtdicken verschiedenster Materialien. Die Geräte sind üblicherweise so konzipiert, dass ein eingewiesener Benutzer sie ohne tiefgreifendes Verständnis der physikalischen Zusammenhänge korrekt bedienen kann. Aus den ermittelten Messwerten können die gewünschten Informationen über die untersuchte Probe nicht analytisch berechnet werden, es müssen Modelle vom Probenaufbau erstellt werden, die mit den Ergebnissen numerischer Rechenoperationen verglichen werden. Im Versuch finden Sie einen Aufbau vor, mit dem das Reflexionsverhalten üblicher in der Optik verwendeter Materialien bzw. Oberflächen in Abhängigkeit vom Einfallswinkel des linear polarisierten Lichtes auf die zu untersuchende Oberfläche (Fresnelsche Formeln) gemessen werden kann. Anhand einfacher Oberflächen-Schicht-Systeme, die mit analytischen Auswertemethoden auskommen, werden Sie sich in die ellipsometrische Messtechnik einarbeiten.
Lernziele
- Erarbeitung der Grundlagen der Polarisation elektromagnetischer Wellen
- Kennenlernen der praxisrelevaten Spezialfälle der Fresnelschen Formeln
- Messung der Brechzahlen verschiedener optischer Materialien
- Einführung in die ellipsometrische Messtechnik
Experimentelle Technik
- HeNe-Laser als Lichtquelle
- Ellipsometer-Aufbau zur motorgesteuerten Einstellung der Einfallswinkel auf die
- Probenoberfläche sowie der Drehwinkel der Polarisatoren (Polarisator und Analysator)
- Signalverstärker mit Quadranten- Fotodiode als Empfänger
- Phasenempfindlicher Gleichrichter-Verstärker
- Computer zur Ansteuerung der Stellmotoren und zur Auswertung der Ergebnisse
Versuchsanleitung Ellipdf, 541 kb
Betreuerin: P. Kellner
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Holografie
Die Holografie ist ein Verfahren zur vollständigen Aufzeichnung von Wellenfronten, d. h. neben der Intensität wird auch die Phase des Lichtwellenfeldes gespeichert. Im Unterschied zur gewöhnlichen Fotografie bleibt daher bei der Rekonstruktion einer Objektwellenfront der räumliche Eindruck des Objekts erhalten. Zur Aufnahme eines Hologramms wird ein Laserstrahl in zwei kohärente Wellen aufgeteilt. Die Objektwelle wird vom aufzunehmenden Objekt beeinflusst (z.B. reflektiert) und mit der ungestörten Referenzwelle überlagert. Das entstehende Interferenzmuster wird dann als Hologramm z.B. auf einer Fotoplatte aufgezeichnet. Beleuchtet man die entwickelte Fotoplatte mit der Referenzwelle, so wird die ursprüngliche Objektwelle rekonstruiert. Hologramme findet man nicht nur auf alltäglichen Gegenständen, wie auf Kreditkarten oder Geldscheinen. Sie wird auch als messtechnisches Verfahren zur Materialuntersuchung herangezogen und weiterentwickelt.
Lernziele
- Aufnahme und Rekonstruktion von Wellenfronten mittels Fotoplatte
- Eigenschaften von Laserlicht: Wellenlänge, Polarisation, zeitliche und räumliche Kohärenz
- Erzeugung ebener Wellen
- Fresnel-Zonenplatte
- Hologramminterferometrie
Experimentelle Technik
- Laser als kohärente Lichtquelle
- Linsen und Spiegel, mechanische Justiereinrichtungen
- Fotoplatten, Fotochemie
- Raumfilter
Versuchsanleitung Hopdf, 428 kb
Betreuerin: Dr. S. Schmidl
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Quantenoptik
Lernziele und Methoden
- Erarbeitung der Grundlagen der Verschränkung von Photonen
- Kennenlernen der CHSH-Ungleichung
- Untersuchung von Wellen -und Teilcheneigenschaften von Photonen
- Erklärung des Quantenradierers
- Umgang mit optischen Fasern
Experimentelle Technik
- Generierung verschränkter Photonen mittels parametrischer Fluoreszenz erster Art
- Projektionsmessung von Polarisationszuständen
- Ein-Photon-Interferenz mittels Michelson-Interferometer
- Koinzidenzmessung
Versuchsanleitung
Betreuer: Dr. J. Hein, Porf. Dr. S. Fritzsche
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Radiowellen
Elektromagnetische Wellen (EM-Wellen) werden seit mehr als 100 Jahren bei drahtgebundenen und drahtlosen Übertragungsverfahren benutzt. EM-Wellen sind die physikalische Grundlage bei der traditionellen drahtlosen Übertragung wie Rundfunk, Fernsehen und Funkverbindungen. Auch moderne Kommunikationsmittel wie Mobilfunk (GSM, UMTS, LTE), DECT, WLan, WiMAX, Bluetooth, DAB, DVB-S, DVB-T, GPS, RFID etc. benutzen EM-Wellen zur Informationsübertragung. Diese findet im typischen Radiofrequenzbereich MHz bis einige GHz) statt. Auch in der drahtgebundenen Übertragungstechnik wie Telefonverbindungen, Breitbandanschlüsse, DSL, LAN und anderen Internetverbindungen werden EM-Wellen genutzt. Grundlage für die Übertragung von größeren Informationsraten ist die Modulation. Hierbei wird der EM-Welle als Trägerfrequenz ein Nutzsignal aufgeprägt.
Lernziele und Methoden
TBD
Experimentelle Technik
- Reflexion und stehende Wellen bei Fehlanpassung der Übertragungsleitung
- Ausbreitungsgeschwindigkeit / Laufzeit der Wellen auf Leitungen
- Übertragung höherer Frequenzen und kurzer Impulse über Kabel
- Modulation/Demodulation von Signalen (Zeit- und Frequenzbereich)
- Abstrahlung/Empfang von Radiowellen über Antennen
- Aufbau einer drahtlosen Übertragungsstrecke
Versuchsanleitung
Betreuer: P. Müller
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IR- VIS - Spektroskopie
Durch optische Spektroskopie im sichtbaren (VIS) und infraroten (IR) Spektralbereich wird die Wechselwirkung fester, flüssiger oder gasförmiger Stoffe mit elektromagnetischer Strahlung untersucht. Diese beruht im Allgemeinen auf der Anregung von Dipolübergängen in den Stoffen, welche zur selektiven Emission, Absorption, Streuung oder Reflexion bei bestimmten Frequenzen des Spektrums führen. Damit kann die chemische und physikalische Struktur der Stoffe analysiert werden. Optisch-spektroskopische Verfahren werden sowohl als Standard-Analysemethoden in Industrie und Labor als auch bei der Erforschung von Grenzflächenprozessen, Nanostrukturen und dünnen Schichten, chemischen Reaktionen und astronomischen Objekten eingesetzt.
Lernziele und Methoden
- Aufbau und Justage eines einfachen Prismenspektrometers,
- Erarbeitung der experimentellen Grundlagen der optischen Spektroskopie, insbesondere der Wellenlängeneichung, der Korrektur der spektralenSpaltbreite und der Theorie des spektralen Auflösungsvermögen
- Kennenlernen von Strahlungsdetektoren sowie des Lock-in-Prinzips zur Signalregistrierung,
- Messung derspektralen Intensitätsverteilung eine thermischen Strahlungsquelle bei verschiedenen Temperaturen und Vergleich mit Planck-Kurven,
- Messung derAbsorptions- und Reflexionseigenschaften verschiedener Stoffe (molekulare Gase und Flüssigkeiten, Halbleiter, Ionenkristalle) in verschiedenen Spektralbereichen
Versuchsanleitung
Versuchsanleitung IRpdf, 576 kb
Betreuer: Dr. H. Mutschke
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NMR - Spektroskopie
Kernspinresonanz (NMR) und Elektronenspinresonanz (ESR) beruhen auf der quantisierten Ausrichtung atomarer magnetischer Momente, der Elektronen- bzw. Kernspins, in einem äußeren Magnetfeld, wobei Übergänge zwischen den entsprechenden Energieniveaus durch Einstrahlung eines definierten Hochfrequenzsignals ("Resonanz") erzeugt werden. Die Frequenz dieses HF-Signals ist außer vom äußeren Magnetfeld von den Eigenschaften der nächsten Umgebung der Spins (chemische Verschiebung, Spin-Spin-Wechselwirkungen) abhängig. Damit sind ESR- und insbesondere NMR-Spektroskopie wichtige Verfahren zur Analyse der chemischen Struktur insbesondere auch von komplexen organischen Molekülen sowie zur dreidimensionalen Abbildung von Festkörpern (Magnet-Resonanz-Tomographie). Nicht alle Atomkerne besitzen einen resultierenden Kernspin und damit ein magnetisches Moment. Es gab bisher 4 Nobelpreise im Umfeld der NMR-Spektroskopie: 1952 (Physik) Bloch und Purcell für die Entdeckung, 1991 und 2002 (Chemie) Ernst bzw. Wüthrich für die Anwendung zur Analyse insbesondere von organischen Makromolekülen und 2003 (Medizin) Lauterbur und Mansfield für die Diagnostik (MRT) mittels NMR.
Lernziele
- Erarbeitung der Grundlagen der NMR-Spektroskopie
- Durchführung einfacher Impuls-NMR-Experimente
- Kennen lernen der Fourier-Transform-Spektroskopie mit digitaler Messwert-Verarbeitung
- Optimierung der Messwertaufnahme (Anregung, Abtasttheorem, spektrale Auflösung, …)
- Grundlagen der Frequenz- und Amplitudenmodulation
- Untersuchung von Möglichkeiten zur Verbesserung der spektralen Auflösung
- Interpretation der NMR-Spektren von Flüssigkeiten (Wasser, Alkohol, etc.)
- Experimentelle Bestimmung von Kernspin-Wechselwirkungen: Spin-Spin-Wechselwirkung, chemische Verschiebung, Spin-Gitter-Relaxation, Spin-Echo
Experimentelle Technik
- Fouriertransform-NMR-Spektrometer
- 1H-NMR-Flüssigkeitsmesskopf 25 MHz
- Permanentmagnet mit Shim-System zur Magnetfeld-Homogenisierung
- Hochfrequenz-Generator
- HF-Impulsverstärker, HF-Sender und HF-Empfänger
- HF-Nachweiselektronik, Demodulation mittels Lock-In-Technik
- Schnelle Probenrotation
- PC mit LabVIEW-Messwerterfassung und Fast-Fourier-Transformation
- Digital-Oszi
Versuchsanleitung
Versuchsanleitung NMRpdf, 815 kb
Betreuer: P. Müller
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Raman - Spektroskopie
Die Raman-Spektroskopie ist ein in der Regel zerstörungsfreies Analyseverfahren, das
detaillierte Informationen über die chemische Struktur, Phase und Polymorphie, Kristallinit
ät, Kristallorientierung, Verspannung, Dotierung sowie molekulareWechselwirkungen
in Materialien ermöglicht. Sie basiert auf den Raman-Eekt, welcher nach einem seiner
Entdecker, dem indischen Wissenschaftler C. V. Raman benannt wurde, welcher den Effekt
im Jahr 1928 zusammen mit K. S. Krishnan in organischen Flüssigkeiten beobachtet
hatte. Unabhängig davon hatten Grigory Landsberg und Leonid Mandelstam den Eekt
in anorganischen Kristallen beobachtet.
Wie auch die Infrarot-(IR)-Spektroskopie gibt die Raman-Spektroskopie Auskunft über
den Aufbau von Molekülen bzw. Festkörpern aufgrund deren dynamischen Verhaltens
und zählt damit zu den Verfahren der Schwingungsspektroskopie. Im Gegensatz zur IRSpektroskopie,
wo die Absorption von IR-Strahlung gemessen wird, verwendet man bei
der Raman-Spektroskopie die von der Probe gestreute Strahlung zum Nachweis. Dadurch
hat man die Möglichkeit der Anregung mit Licht aus dem sichtbaren Spektralbereich, für
den heute überaus leistungsfähige Laserlichtquellen existieren. Je nach Symmetrie der
Moleküle sind bestimmte Schwingungen der Moleküle jedoch nur im Raman- bzw. nur
im IR-Spektrum zu beobachten, wodurch sich die beiden Methoden ideal ergänzen. So
können beispielsweise mittels Raman-Spektroskopie die IR-inaktiven Schwingungen homonuklearer
Moleküle untersucht werden. Auÿerdem kann man Moleküle in wässrigen Lö-
sungen untersuchen, da Wasser Raman-inaktiv ist. Bei der IR-Absorptionsspektroskopie
hingegen überlagern die zahlreichen Absorptionslinien des Wassers die Linien der eigentlich
zu untersuchenden Moleküle.Lernziele
- Grundlagen und experimentelle Technik der Raman-Spektroskopie
- Grundlegendes Verständnis der Schwingungsspektroskopie
- Raman-Spektroskopie an Molekülen und Kristallen
- Kohlenstonanoröhren - Struktur, Eigenschaften, Wachstum, Verwendung, Charakterisierung
Experimentelle Technik
- Raman-Spektrometer
- Strahlformung (Ablenkung, Fokussierung)
- Echelle-Gitter und CCD-Detektor zum Nachweis der Streustrahlung
Versuchsanleitung
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Zeeman-Effekt
In diesem Versuch werden grundlegende Eigenschaften des Atombaus und deren Einfluss auf die Spektroskopie kennen gelernt. Werden strahlende Atome einem Magnetfeld ausgesetzt, kommt es durch die Wechselwirkung zu einer energetischen Verschiebung bestimmter Energieniveaus und zu einer Energieaufspaltung. Die einzelnen Linien weisen zum Teil unterschiedliche Polarisation auf. Diese Aufspaltung, die proportional zum Magnetfeld ist, wird im Versuch für verschiedene Spektrallinien untersucht. Aus den Aufspaltungen kann man das Verhältnis e/m und den Landé-Faktor bestimmen. Sie lernen die Spektralapparate mit den höchsten derzeit erreichten Auflösungsvermögen im sichtbaren Spektralbereich kennen. Für die Arbeiten über den Effekt des Einflusses von Magnetfeldern auf die Strahlungseigenschaften von Atomen erhielt P. Zeeman 1902 den Nobelpreis für Physik.
Lernziele
- Erarbeitung der Grundlagen der hochauflösenden Spektroskopie mit Interferenzspektralapparaten und deren wichtigster Parameter: freier Spektralbereich, Auflösungsvermögen, Finesse, Interferenzen gleicher Neigung und gleicher Dicke
- Messung geringer Lichtintensitäten mit CCD-Kamera
- Erzeugung hoher Magnetfelder
- Anwendung atomphysikalische Grundbegriffe: z.B. Bahndrehimpuls, Spin, Quantenzahlen, Pauliprinzip, Spin-Bahn-Wechselwirkung, Multiplizität, magnetisches Moment, Feinstrukturaufspaltung
- Kennenlernen des normalen und anomalen Zeemaneffektes, Nutzung zur Bestimmung des Verhältnisses e/m
Versuchsanleitung Zeepdf, 444 kb
Betreuer: Dr. H. Mutschke
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Auger - Elektronen - Spektroskopie
Die Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES) ist neben der röntgenstrahl-angeregten Photoelektronen-Spektroskopie (XPS/ESCA/PES) die wichtigste Analysemethode für Oberflächen und dünne Festkörperschichten. Die Methode basiert auf der Emission von sogenannten Auger-Elektronen als Konkurrenzprozess zur Röntgenemission nach Anregung durch Elektronen oder Röntgenstrahlen. In der Regel wird zur Anregung ein Elektronenstrahl im Energiebereich von 3 bis 10 keV verwendet. Da ein Elektronenstrahl im nm- und µm-Bereich fokussiert und zusätzlich gerastert werden kann, ist eine lokale Analyse eines Festkörpers möglich. Die Austrittstiefe der Auger-Elektronen ist dabei durch inelastische Wechselwirkung auf wenige Atomlagen begrenzt, so dass eine oberflächenempfindliche Analyse eines kleinen Festkörpervolumens möglich ist. Alle Elemente außer H und He sind prinzipiell mittels AES messbar und unter Verwendung von empirischen Empfindlichkeitsfaktoren kann eine quantitative Bestimmung der chemischen
Zusammensetzung erfolgen. Die relative Empfindlichkeit für den Elementnachweis in einem Material liegt bei 10 -2 bis 10 -4 . Die Analyse einer Oberfläche erfordert Ultrahochvakuum. AES wird häufig mit Edelgas-Ionenätzen (sputtering) kombiniert, um Oberflächen zu reinigen oder durch schichtweisen Abtrag Tiefenprofile der Zusammensetzung zu ermitteln.Lernziele und Methoden
- Kennenlernen von Oberflächenanalyse-Methoden, Auger-Meitner-Effekt
- Kennenlernen der Wechselwirkungsprozesse von Elektronen im Festkörper (in/elastische Streuung, An- und Abregungsprozesse, Sekundärstrahlung, Plasmonen)
- Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Festkörper-Oberflächen
- Kennenlernen von Ultrahochvakuumtechnik und Besonderheiten
- Untersuchung zum Signal-Rausch-Verhältnis und Anwendung von Methoden zu dessen Verbesserung
- Kennenlernen von Lock-In-Verstärker und Differentielle Abtastung
Experimentelle Technik
- Elektronen-Spektrometer, Zylinder-Spiegel-Analysator, Sekundär-Elektronen-Verstärker, Raster-Elektronenquelle, Probenstrom-Abbildung
- Ultrahochvakuum, Ionengetter-Pumpe, Titan-Sublimationspumpe
- Probenschleuse mit Turbomolekular-Pumpe, Scroll-Pumpe
- Vakuum-Messung, Ionisationsmessröhre, Massenspektrometer
Versuchsanleitung
Versuchsanleitung AESpdf, 2 mb
Betreuer: Dr. F. Otto
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Bedampfung / Schichteigenschaften
Für praktisch alle Hochtechnologiebereiche d.h. alle Mikro- und Nanotechnologien als auch für klassische Bereiche wie Maschinenbau, Optik und Energietechnik besitzt die Vakuumverfahrenstechnik eine Schlüsselfunktion. Mit verschiedensten Dünnschichttechnologien werden gezielt die mechanischen, optischen, elektrischen oder chemischen Eigenschaften durch Veränderung der Oberflächeneigenschaften verbessert und/oder neue Produkte überhaupt erst möglich gemacht.
Thermisches Verdampfen (auch Aufdampfen oder Bedampfen) ist die einfachste zur physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) gehörende hochvakuumbasierte Beschichtungstechnik. Die Schicht wird direkt durch Kondensation eines Materialdampfes des Ausgangsmaterials gebildet. Typische Prozessdrücke liegen unter 10-6 mbar. Um Oxydation zu vermeiden, muss die mittlere freie Weglänge sehr viel größer als die Rezipientendimension sein; der Gasdruck des Bedampfungsmaterials muss deutlich über dem Prozessdruck liegen. Diese und weitere solche Abhängigkeiten zwischen Vakuum- und Verdampfungskenngrößen bestimmen die Qualität und Reproduzierbarkeit der Schichtbildungsprozesse.
Die Temperaturregelung ist für das Schichtwachstum ein wichtiger Faktor, denn schon kleine Temperaturänderungen können große Unterschiede bei der Verdampfungsrate ergeben. Die Regelung ist über eine konstante Energiezufuhr zum Verdampfer nicht möglich, da die Wärmebilanz sehr vielfältig von äußeren Parametern abhängig ist. Die Abscheideregelung erfolgt über intrinsische Schichtdickenmessungen. Die Güte verschiedener intrinsischer Schichtdickenmessverfahren wird durch eine Vergleichsmessung mit einem Abbe-Fizeau-Interferometer überprüft.
Lernziele und Methoden
- Methoden der Vakuumerzeugung für PVD-Verfahren
- Zusammenhänge von Vakuumkenngrößen wie Enddruck, Saugrate, Leckrate, mittlere freie Weglänge und Bedeckungsrate mit der Schichtqualität
- Vakuummessung in Bedampfungsanlagen
- Herstellung dünner gedampfter Schichten
- Methoden der Schichtdickenmessung
- Elektrische Eigenschaften von dünnen Metallschichten
Experimentelle Technik
- B-30 Bedampfungsanlage
- Drehschiebervorpumpe, Turbopumpe, Meißner-Falle
- Vakuummesstechniken
- Schichtdickenmessverfahren Schwingquartz, optisch, elektrisch
- Voltmeter/Datenlogger/PC mit Software für Datenverarbeitung
Betreuer: M. Thürk, T. Siefke
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Elektronen - Emission
In diesem Versuch werden sowohl die Grundlagen des Photoeffektes als auch des glühelektrischen Effektes kennen gelernt. Dazu werden grundlegenden Prinzipien der Festkörperphysik und des Welle-Teilchen-Dualismus elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Spektralbereich vermittelt.
Mit verschiedenen Spektrallinien einer Quecksilberdampflampe wird unter Ausnutzung des äußeren photoelektrischen Effektes die Einsteinsche Gleichung zum Photoeffekt experimentell nachvollzogen (Versuchsteil A). Aus der Messung können das Verhältnis h/e sowie die Austrittsarbeit der Anode bestimmt werden. Insbesondere für die Arbeiten zu diesem Effekt erhielt Albert Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik. Weiterhin werden Sie für eine Vakuumdiode mit Glühkathode I-U-Kennlinien für verschiedene Kathodentemperaturen aufnehmen (Versuchsteil B). Die Temperatur der Kathode wird mit einem Pyrometer berührungslos gemessen. Durch das Anfitten der Richardson-Gleichung können die Austrittsarbeit des Kathodenmaterials sowie die effektiv wirksame Kathodenoberfläche bestimmt werden. Der glühelektrische Effekt findet eine weite Verbreitung in Forschung und Technik, wie z.B. in der Elektronenmikroskopie, für den Bau von Elektronenröhren, Röntgenröhren und Senderöhren. Für die Arbeiten zum glühelektrischen Effekt erhielt O.W. Richardson 1928 den Nobelpreis für Physik.
Die Messwertaufnahme wird für beide Versuchsteile computergestützt erfolgen. BSc-Studierende sollen dazu ein entsprechendes LabVIEW-Programm zur Messdatenaufnahme selbst anfertigen. Programmierkenntnisse sind hilfreich, aber nicht unbedingt erforderlich.Lernziele
- Welle-Teilchen-Dualismus
- Potentialtopfmodell für Metalle: Austrittsarbeit, Fermi-Verteilung, Fermi-Energie
- Äußerer und innerer photoelektrischer Effekt
- Kontaktspannung
- Schottky-Effekt, Raumladungsbereiche
- Glühelektrischer Effekt
- Monochromatisierung von Licht mittels Prismenmonochromator, Metallinterferenzfilter
- Computergestütze Messwertaufnahme und Programmierung mittels LabVIEW
- Messung kleiner Ströme (DC)
- Pyrometrische Messung hoher Temperaturen: Plancksches Strahlungsgesetz
Experimentelle Technik
- Vakuumphotozelle
- Vakuumdiode mit Glühkathode
- Quecksilberdampflampe
- Prismenspektrometer nach Wadsworth
- Metallinterferenzfilter
- Piko-Amperemeter
- Messinterface mit LabVIEW-Steuerung
- Pyrometer
Versuchsanleitung
Versuchsanleitung EEpdf, 432 kb
Betreuer: Dr. M. Grünewald
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Supraleitung / ac-Josephson-Effekt
Das Verschwinden des elektrischen Widerstands, die Beobachtung des ideal diamagnetischen Verhaltens, das Auftreten quantisierter magnetischer Flussschläuche sind charakteristische Eigenschaften von Supraleitern. Diese Eigenschaften werden verständlich, wenn der supraleitende Zustand als kohärente Materiewelle beschrieben, also als ein makroskopisches Quantenphänomen betrachtet wird. Diese Effekte sind Grundlagen für die vielfältigen Anwendungen der Supraleitung. Die Verwendung supraleitender Magnete in Forschung und Medizin (z.B. bei der Kernspintomografie) ist Standard. Interferenzen zwischen kohärenten Materiewellen werden durch die Josephson-Effekte beschrieben und für hochempfindliche und/oder hochpräzise Messtechnik (z.B. SQUID; Spannungsstandard) genutzt.
Die Ausbildung einer makroskopischen Wellenfunktion ist die wesentliche Eigenschaft der Supraleitung. Ähnliche Eigenschaften wurden auch in anderen Bereichen der Physik gefunden. Auch Photonen in einem Laser, Helium-Atome unterhalb des Lambda-Punktes oder Atome aus Alkali-Elementen können durch Bose-Einstein-Kondensation kohärente Materiewellen bilden. Dabei werden extreme physikalische Zustände, z.B. die völlige Reibungsfreiheit in der Supraflüssigkeit, beobachtet. In den vergangenen 20 Jahren wurden allein sieben Nobelpreise für direkt mit der Supraleitung zusammenhängende Arbeiten vergeben.
Lernziele
- Kryostatierung bei tiefen Temperaturen
- Temperaturmessung bei kryogenen Temperaturen
- Temperaturabhängigkeit des elektrischen Normalleitungswiderstandes von Supraleitern (Bestimmung der Sprungtemperatur)
- Kritischer Strom als Funktion von Magnetfeld und Temperatur
- Parametrische Untersuchung an einem Josephson-Kontakt
- Bestimmung der Größe der Planckschen Konstante mit dem "Inversen Josephson-Effekt"
Experimentelle Technik
- Flüssighelium - Experimentierkanne
- Diverse Messstäbe für Tieftemperatur-Untersuchungen an
- R(T) Messungen an diversen Supraleitern
- Magnetfeldabhängigkeit des maximalen Suprastroms
- Untersuchung an einem einzelnen Josephson-Kontakt
- Inverser Josephson-Kontakt
- Temperaturmesstechnik
Betreuer: M. Thürk
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Tieftemperatur - Eigenschaften
Die Abhängigkeit der spezifischen Wärmekapazität bei tiefen Temperaturen kann klassisch nicht erklärt werden. Um die experimentell ermittelten Werte theoretisch zu begründen, bedurfte es der Quantentheorie, deren Grundlage Planck mit der Beschreibung der Strahlung eines "schwarzen Körpers" schuf. Viele Quanteneffekte können nur bei sehr tiefen (kryogenen) Temperaturen beobachtet werden. Die Majorität aller Physiknobelpreise in den letzten zwei Dekaden hatte mit der Erzeugung oder Anwendung (16 von 20) oder den speziellen physikalischen Effekten bei kryogenen Temperaturen (7 von 20) zu tun.
In diesem Praktikumsversuch werden grundlegende experimentelle Fertigkeiten beim Umgang mit kryogenen Temperaturen vermittelt. Sie ermitteln die spezifische Wärme von Kupfer und Blei in Abhängigkeit von der Temperatur. Aus der Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit kann man die Energielücke, Ladungsträgerkonzentration und Intrinsicdichte bestimmen. Die Dynamik von Experimenten bei kryogenen Temperaturen wird wesentlich durch den Wärmeübergang in tiefsiedenden Gasen bestimmt. Das Abkühlverhalten verschiedener Probenkörper in Flüssigstickstoff wird untersucht. Bei der Versuchsdurchführung werden Sie mit Geräten der Kryotechnik, der Kälteerzeugung und -speicherung, mit Messverfahren der Vakuumtechnik und vor allem mit Temperatur-Messverfahren vertraut gemacht.
Lernziele
- Arbeitsweise von Kleinkältemaschinen für kryogene Temperaturen
- Temperaturmessung bei tiefen Temperaturen
- Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands von Halbleitern
- Bestimmung der temperaturabhängigen Energielücke und Intrinsicdichte
- Vermessung der spezifischen Wärmekapazität von Kupfer und Blei
- Siedemechanismen bei tiefen Temperaturen
Experimentelle Technik
- Gifford-McMahon Kleinkältemaschine
- Refrigeratorkryostat
- Temperaturmesstechnik
- Vakuumerzeugung und -messung bei tiefen Temperaturen
- Verdampferkryostat
- Voltmeter/PC mit Software für Datenverwaltung
Betreuer: M. Thürk, Dr. S. Schmidl
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Gaslaser
Das Wort LASER ist die Abkürzung für "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". Dabei handelt es sich um eine Strahlungsquelle, die auf der 1917 von Einstein vorhergesagten stimulierten Emission beruht. Mit diesem physikalischen Prinzip ist es möglich, elektromagnetische Strahlung zu verstärken. Setzt man ein verstärkendes Medium in einen Resonator, so kann durch die auftretende Rückkopplung der Verstärker zum Oszillator - dem eigentlichen Laser - werden. Heutzutage versteht man unter diesem Begriff aber auch Systeme, die auf den Resonator oder das aktive Medium verzichten können (OPO/OPA, FEL). Der Effekt der Verstärkung von Licht wurde 1928 von A. Ladenburg experimentell in einer Neon-Gasentladung nachgewiesen. 1954 wurde zum ersten Mal Strahlung durch stimulierte Emission erzeugt (Townes, NH 3 -Maser bei 23,9 GHz). Auf der Basis der Arbeiten von Basow, Prochorow, Townes (Nobelpreis 1964) und Schawlow entwickelte Maiman 1960 den ersten Laser (Rubinlaser bei 694 nm), der im Impulsbetrieb arbeitete. Ein Jahr später entstand der erste cw-Laser (continuous wave) durch Javan et al. (HeNe-Laser bei 1,15 μm). Seit dieser Zeit sind vielfältige neue Festkörper- und Gas-Laser entwickelt, aber auch neue Lasermedien wie etwa Halbleiter erschlossen worden. Die Erzeugung kurzer Pulse und damit auch hoher Intensitäten hat am IOQ Tradition, die mit dem POLARIS-Laser einen weltweit einmaligen Meilenstein geschaffen hat. Darüber hinaus sind die anderen Optik- Institute der Fakultät und deren Partner (IAP, IFTO, IPhT) weltweit führend in der Grundlagenforschung und Entwicklung neuer Lasersysteme und optischer Komponenten für ein Vielzahl von Anwendungen in der Materialbearbeitung und Kommunikation.
Lernziele
- Erarbeitung der Grundlagen eines Dauerstrich-Gaslasers
- Justage und Optimierung des Resonators
- Messung des Einflusses der Resonatorgeometrie auf die Strahlparameter
- Untersuchungen zu höheren transversalen Moden
- Untersuchungen zum spektralen Verstärkungsprofil eine Singlemode-Lasers
- Erarbeitung der Grundlagen des optischen Heterodyn
- Untersuchung der longitudinalen Moden eines Multimode-Lasers durch optisches Heterdyning mit einem Singlemode-Laser
- Untersuchungen zur Frequenzstabilität
Experimentelle Technik
- Multimode-HeNe-Laser, optische Bank, dielektrische Spiegel
- Singlemode-Laser, SEV, Oszilloskop
- Laserschutz
Versuchsanleitung GLpdf, 13 mb
Betreuer: Dr. J. Hein
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Diodenlaser
Das Wort LASER ist die Abkürzung für "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". Dabei handelt es sich um eine Strahlungsquelle, die auf der 1917 von Einstein vorhergesagten stimulierten Emission beruht. Mit diesem physikalischen Prinzip ist es möglich, elektromagnetische Strahlung zu verstärken. Setzt man ein verstärkendes Medium in einen Resonator, so kann durch die auftretende Rückkopplung der Verstärker zum Oszillator - dem eigentlichen Laser - werden. Heutzutage versteht man unter diesem Begriff aber auch Systeme, die auf den Resonator oder das aktive Medium verzichten können (OPO/OPA, FEL). Der Effekt der Verstärkung von Licht wurde 1928 von A. Ladenburg experimentell in einer Neon-Gasentladung nachgewiesen. 1954 wurde zum ersten Mal Strahlung durch stimulierte Emission erzeugt (Townes, NH 3 -Maser bei 23,9 GHz). Auf der Basis der Arbeiten von Basow, Prochorow, Townes (Nobelpreis 1964) und Schawlow entwickelte Maiman 1960 den ersten Laser (Rubinlaser bei 694 nm), der im Impulsbetrieb arbeitete. Ein Jahr später entstand der erste cw-Laser (continuous wave) durch Javan et al. (HeNe-Laser bei 1,15 μm). Seit dieser Zeit sind vielfältige neue Festkörper- und Gas-Laser entwickelt, aber auch neue Lasermedien wie etwa Halbleiter erschlossen worden. Die Erzeugung kurzer Pulse und damit auch hoher Intensitäten hat am IOQ Tradition, die mit dem POLARIS-Laser einen weltweit einmaligen Meilenstein geschaffen hat. Darüber hinaus sind die anderen Optik- Institute der Fakultät und deren Partner (IAP, IFTO, IPhT) weltweit führend in der Grundlagenforschung und Entwicklung neuer Lasersysteme und optischer Komponenten für eine Vielzahl von Anwendungen in der Materialbearbeitung und Kommunikation.
Lernziele
- Erarbeitung der Grundlagen einer Laserdiode und eines Festkörperlasers
- Messung der Eigenschaften der Laserdiode
- Kennenlernen der Möglichkeiten der Anregung von Nd:YAG
- Fluoreszenz und Lebensdauer von Nd:YAG
- Bau eines diodengepumpten Nd:YAG-Lasers
- Wirkungsgrad des Nd:YAG-Lasers
- Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG)
Experimentelle Technik
- Laserdioden-Modul, Steuergerät
- optische Schiene, Optiken, Photodioden, Leistungsmessgeräte
- Nd:YAG, KTP
- Oszilloskop
- Gitterspektrometer
- Laserschutz
Versuchsanleitung DLpdf, 357 kb
Betreuer: Dr. J. Hein
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Nd:YLF - Laser
Ziel ist das Kennenlernen des typischen Verhaltens eines blitzlampengepumpten Frstkörperlasers und des Prinzips der Güteschaltung zur Erzeugung von Laserimpulsen im ns-Bereich sowie der Modensynchronisation zur Erzeugung von Laserimpulsen im ps-Bereich. Güteschaltung des Resonators wird mit Hilfe einer schnell geschalteten Pockelszelle erreicht. Die Modensynchronisation wird hier duch eine positive Rückkopplung durch "intracavity" - erzeugte zweite Harmonische (SHG) und deren Rückumwandlung erzeugt. Sie lernen die Funktion eines Autokorrelators zur Messung der Impulsdauer kennen und befassen sich mit nichtlinearer Optik, insbesondere der Erzeugung der SHG und der dazu notwendigen Phasenanpassungsbedingungen in doppelbrechenden Kristallen.
Versuchsanleitung NLpdf, 1008 kb
Betreuer: Dr. J. Hein
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Elektronenbeugung
Die Reflexionselektronenbeugung (engl. Reflection High-Energy Diffraction, RHEED), ist eine experimentelle Methode, die in der Festkörperphysik und Materialwissenschaft zur Aufklärung von Oberflächenstrukturen genutzt wird. Nach de-Broglie hat Materie nicht nur Teilchen-, sondern auch Wellencharakter. So besitzen beschleunigte Elektronen Wellenlängen, welche im Bereich der Atomabstände in Festkörpern liegen können. Kristalle stellen daher natürliche Beugungsgitter für beschleunigte Elektronen dar, genau wie für Röntgenstrahlen ähnlicher Wellenlängen. Aufgrund der starken inelastischen Wechselwirkung zwischen Elektronen und Atomen liegt die inelastische mittlere freie Weglänge von Elektronen in Festkörpern jedoch zwischen weniger als 1 nm und mehreren 100 nm und ist damit wesentlich kleiner als bei Röntgenstrahlen. Dadurch eignet sich die Elektronenbeugung besonders für die Untersuchung von kristallinen Oberflächen und dünnen Schichten. In einem RHEED-Experiment wird ein Elektronenstrahl auf eine kristalline Oberfläche gerichtet, welche ein Beugungsmuster auf einem Detektorschirm produziert. Die Positionen und Intensitäten der Beugungsmaxima im Muster liefern demzufolge Informationen über die Kristallstruktur und die Orientierung der Oberfläche. Die Anwendungen von RHEED sind vielfältig. In der Überwachung von Schichtherstellung ermöglicht RHEED beispielsweise die Echtzeitkontrolle des Wachstums von dünnen Schichten und epitaktisch gewachsenen Kristallen was insbesondere in der Halbleiterindustrie von großer Bedeutung ist.
Lernziele
- reziprokes Kristallgitter und Laue-Bedingung in zwei Dimensionen (2D)
- Herstellung von atomar sauberen Einkristalloberflächen durch Sputtern und Ausheilen
- Herstellung atomar dünner Schichten durch Molekularstrahlepitaxie (MBE)
- Strukturelle Charakterisierung von Schichten (z.B. Epitaxierelationen, Rauigkeit)
- Vakuumtechnik (Pumpen, Messgeräte, Restgasanalyse usw.)
Experimentelle Technik
- Ultrahochvakuum (UHV)-Kammer mit:
- RHEED-Gerät (Elektronenkanone, Phosphorschirm, Kamera)
- Sputterkanone und Probenheizung
- Vakuumpumpen (Vorvakuum-, Turbomolekular-, Ionengetter- und Titanpumpe)
- Effusionszellen für die Abscheidung von Schichten (z.B. KCl)
- Quadrupol-Massenspektrometer
- Metalleinkristalle als Probensubstrate
Versuchsanleitung
Betreuer: Dr. Felix Otto und Dr. Marco Grünewald
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Röntgenbeugung (DS+DK)
TBD
- zusammenführung der Verusch "Drehkristallverfahren" und "Debye-Scherrer-Verfahren"
- für Inhalte siehe Drehkristallverfahren + Debye-Scherrer-Verfahren
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Röntgen - Spektroskopie
In diesem Versuch werden Grundlagen moderner Methoden der Röntgenspektroskopie sowie deren Anwendung kennen gelernt. Es werden Emissionsspektren von einer Röntgenröhre und von Fluoreszenzproben sowie ein Compton-gestreutes Spektrum gemessen. Weiterhin wird ein Absorptionsspektrum für Röntgenstrahlung bestimmt. Der Zusammenhang der Röntgenspektren mit wichtigen atomphysikalischen Eigenschaften wird untersucht. Die verschiedenen Verfahren der Röntgenspektroskopie (Fluoreszenzspektroskopie, Absorptionsspektroskopie, inelastische Streuung), die in diesem Versuch kennen gelernt werden, finden heute weit verbreitete Anwendung, z. B. in der modernen Festkörperphysik, der Materialuntersuchung und Elementanalyse. Nach der Entdeckung der Röntgenstrahlung durch W.C. Röntgen 1895 (erster Nobelpreis für Physik 1901) bekam M. von Laue den Nobelpreis für Physik 1914 für die Entdeckung der Röntgenbeugung an Kristallgittern. Danach wurden 7 weitere Nobelpreise für Physik, u.a. 1917 C. G. Barkla für die Arbeiten der Röntgenspektroskopie, und 6 Nobelpreise für Chemie für Leistungen zur Strukturaufklärung mit Röntgen-, Elektronen- bzw. Neutronenstrahlen und zur Röntgenspektroskopie vergeben.
Lernziele
- Grundlagen der Atomphysik, z.B. Moseleysches Gesetz
- Fluoreszenz, Augereffekt, Comptoneffekt
- Grundbegriffe der Kristallografie
- Röntgenbeugung am dreidimensionalen Atomgitter
- Grundbegriffe der Spektroskopie, wie Auflösungsvermögen, Dispersion
- Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie
- Eigenschaften von Röntgenquellen, wie Spektrum und Brillanz.
- Detektion ionisierender Strahlung, wie Szintillationsdetektor, Halbleiterdetektor
- Strahlenschutz
Experimentelle Technik
- Röntgengenerator mit Röhre zur Erzeugung von Röntgenstrahlung
- Einkristallspektrometer,
- Fluoreszenzaufsatz zur Probenhalterung
- Szintillationsdetektor, gekühlte PIN Photodiode
- Vielkanalanalysator
- Impulsdichtemeßgerät SMCA
- PC zur Datenerfassung mit Lab View bzw. mit dem Vielkanalanalysator sowie Auswertung
- Schrittmotorsteuerung zur Bewegung der Goniometermotoren
Versuchsanleitung
Betreuer: Dr. R. Lötzsch
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Drehkristallverfahren (nicht im WS24/25 angeboten)
Das Drehkristallverfahren ist ein Standardverfahren der Röntgenfeinstrukturanalyse für einkristalline Materialien. Mit monochromatischer Röntgenstrahlung werden die Beugungswinkel und gebeugten Intensitäten möglichst vieler Interferenzen eines Kristallgitters gemessen. Die Röntgenfeinstrukturanalyse bestimmt aus diesem Beugungsbild durch eine Fourieranalyse die Elektronendichteverteilung in der Elementarzelle des Atomgitters. Heutzutage werden selbst komplizierte Strukturen, wie Proteine, mit diesen Methoden aufgeklärt. Nach der Entdeckung der Röntgenstrahlung durch W.C. Röntgen 1895 (erster Nobelpreis für Physik 1901) bekam M. von Laue den Nobelpreis für Physik 1914 für die Entdeckung der Röntgenbeugung an Kristallgittern. Danach wurden sieben weitere Nobelpreise für Physik und sechs Nobelpreise für Chemie für Leistungen zur Strukturaufklärung mit Röntgen-, Elektronen- bzw. Neutronenstrahlen und zur Röntgenspektroskopie vergeben (näheres zur Geschichte in den Anleitungen).
Lernziele
- Grundbegriffe der Kristallographie
- Röntgenbeugung am dreidimensionalen Atomgitter
- Strukturbestimmung einfacher Kristallstrukturen
- Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie
- Eigenschaften von Röntgenquellen, wie Spektrum und Brillianz.
- Nachweis ionisierender Strahlung
- Strahlenschutz
Experimentelle Technik
- Röntgengenerator mit Röhre zur Erzeugung von Röntgenstrahlung
- Drehkristallkamera
- optisches Zweireflexgoniometer zur Vorjustierung
- Röntgenfilm
- Photometrierung mit Photometer bzw. Durchlichtscanner
- Abbe-Komparator
- PC zur Auswertung
Versuchsanleitung
Betreuer: Dr. R. Lötzsch
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Debye-Scherrer-Verfahren (nicht im WS24/25 angeboten)
Das Debye-Scherrer-Verfahren ist das einfachste Verfahren der Röntgenfeinstruturanalyse für einfache polykristalline Materialien. Mit monochromatischer Röntgenstrahlung werden die Beugungswinkel und gebeugten Intensitäten möglichst vieler Interferenzen eines Kristallgitters gemessen. Die Röntgenfeinstrukturanalyse bestimmt aus diesem Beugungsbild durch eine Fourieranalyse die Elektronendichteverteilung in der Elementarzelle des Atomgitters. Heutzutage dienen diese oder ähnliche Methoden der Röntgendiffraktometrie als Standardmethode z.B. zur Kristallphasenuntersuchung von Festkörpern (Materialanalyse), zur Bestimmung von Spannungen und Korngrößen in Festkörpern sowie zur Analyse von dünnen Schichten in Forschung und Technik. Nach der Entdeckung der Röntgenstrahlung durch W.C. Röntgen 1895 (erster Nobelpreis für Physik 1901) bekam M. von Laue den Nobelpreis für Physik 1914 für die Entdeckung der Röntgenbeugung an Kristallgittern. Danach wurden sieben weitere Nobelpreise für Physik und sechs Nobelpreise für Chemie, u. a. P. Debye für Leistungen zur Strukturaufklärung mit Röntgen-, Elektronen- bzw. Neutronenstrahlen und zur Röntgenspektroskopie vergeben (näheres zur Geschichte in den Anleitungen).
Lernziele
- Grundbegriffe der Kristallographie
- Röntgenbeugung am dreidimensionalen Atomgitter
- Strukturbestimmung von polykristallinen Materialien
- Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie
- Eigenschaften von Röntgenquellen, wie Spektrum und Brillianz.
- Nachweis ionisierender Strahlung
- Strahlenschutz
Experimentelle Technik
- Röntgengenerator mit Röhre zur Erzeugung von Röntgenstrahlung
- Debye-Scherrer-Kamera
- Röntgenfilm
- Photometrierung mit Photometer bzw. Durchlichtscanner
- Abbe-Komparator
- PC zur Auswertung
Versuchsanleitung
Betreuer: Dr. R. Lötzsch
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Rastersonden - Mikroskopie
Das Verfahren der Raster-Tunnel(elektronen)-Mikroskopie (Scanning Tunneling Microscopy) beruht auf dem quantenmechanischen Tunneleffekt, der es - im Widerspruch zur klassischen Physik - Elektronen erlaubt, eine Potentialbarriere zu überwinden, die größer ist als die Energie der Elektronen. Die exponentielle Abhängigkeit des Tunnelstroms vom Abstand zweier leitfähiger Objekte wird genutzt, indem eine metallische Spitze in geringem Abstand entlang eines Rasters über eine Oberfläche bewegt wird, um aus Spitzenposition und Tunnelstrom ein dreidimensionales Abbild dieser Oberfläche zu gewinnen. Die erreichbare Auflösung liegt im Ångström-Bereich und ist damit um Größenordnungen besser als die theoretisch erreichbare Auflösung von Lichtmikroskopen. Der geringe Abstand zwischen Probe und Spitze stellt hohe Anforderungen an die mechanische Schwingungsdämpfung des STM. Ein erstes Gerät zur Vermessung der Mikrotopographie von Oberflächen stellten bereits Young, Ward und Scire 1972 vor. Während ihr sog. Topografiner jedoch auf Feldemission beruhte, konnten Binnig und Rohrer neun Jahre später das erste richtige Tunnel-Mikroskop realisieren, das eine deutlich höhere Auflösung bot und für das beide 1986 mit dem Nobelpreis in Physik ausgezeichnet wurden. Mit dem wenige Jahre nach dem STM entwickelten Rasterkraftmikroskop (AFM) können auch nichtleitende Materialien untersucht werden. Rastermikroskopieverfahren werden unter dem Begriff Rastersondenmikroskopie, engl. "Scanning Probe Microscopy SPM" zusammengefasst, z.B. REM, AFM, MFM, SNOM u.a.
Lernziele
- Kennen lernen der verschiedenen Rastersonden-Mikroskopieverfahren (SEM, TEM, STM, AFM, FEM), deren Einsatzmöglichkeiten und deren Grenzen
- Kennen lernen der Funktionsweise und Einsatzmöglichkeiten eines Raster-Tunnel-Mikroskops, Vergleich mit anderen Mikroskopieverfahren (REM, LiMi, AFM)
- Kennen lernen der verschiedenen Betriebsmodi
- Kennen lernen der Möglichkeiten zur Spitzenpräparation und Steuerung
- Kennen lernen von Piezoaktoren und -Scannern
- Untersuchung spezieller Oberflächen bis zu atomarer Auflösung
- Erkennen und Vermeiden möglicher äußerer Störeinflüsse
- Erkennen und Erklären von Abbildungsfehlern
- Nutzung verschiedener Bildbearbeitungsmethoden insbesondere 2D FFT
- Sorgfalt und Sauberkeit bei Untersuchungen im Nanometerbereich
Experimentelle Technik
- Nanosurf Easyscan 2 Scanning Tunnelling Microscope
- Piezo-Scanner zur Spitzensteuerung und Piezomotor zur Grobannäherung
- PC und Steuereinheit: Einfluss auf Tunnelspannung und Tunnelstrom sowie PID-Regelkreis und Abtastrate
- Software zur Bildaufnahme und -bearbeitung (einschl. Fast-Fourier-Transformation)
- Probenpräparation z.B. Aufdampfen von Schichten in einer Hochvakuumkammer
- Spitzenpräparation
- Lichtmikroskope
- Der Versuch kann mit dem Versuch Raster-Elektronen-Mikroskop kombiniert werden, zum Beispiel zur Abbildung der Tunnelspitzen sowie für vergleichende Untersuchungen von STM-Proben (siehe spezielle Versuchsanleitung REM)
Versuchsanleitung
Versuchsanleitung SPMpdf, 843 kb
Betreuer: Dr. M. Grünewald
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Raster - Elektronen - Mikroskopie
In vielen Bereichen ist die visuelle Kontrolle von selbst erzeugten oder zu untersuchenden Variationen von Strukturen oder Oberflächen eine unabdingbare Methode. Neben Lichtmikroskopen werden schon seit langem Elektronenmikroskope zur Darstellung bis hinunter in den Nanometerbereich eingesetzt. Durch die Wechselwirkung der Elektronen mit dem Material in den oberen Schichtbereichen entsteht durch die Struktur der Oberfläche und der Zusammensetzung unterschiedlicher Materialien ein mehr oder weniger kontrastreiches Bild. Dieses Bild kann durch die Wahl der Elektronen (Rückstreu- oder Sekundärelektronen, RE bzw. SE), der Energie des einfallenden Elektronenstrahls, dem Einfallswinkel zwischen Elektronenstrahl und Probenoberfläche, Aufladungseffekte der Probe, usw. optimiert bzw. verschlechtert werden. Man unterscheidet im Wesentlichen zwischen dem Rasterelektronenmikroskop (REM), bei dem der Elektronenstrahl die Probe abrastert und in Rückstreuung detektiert wird, und dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM), bei dem durch eine sehr dünne Probe mit einem Elektronenstrahl durchstrahlt wird. Durch Kombination mit einem Röntgenspektrometer sind lokal aufgelöste Analysen der Elementzusammensetzung möglich. An kristallinen Proben können durch Interferenz der Elektronen Strukturinformationen gewonnen werden (z.B. electron channeling).
Lernziele
- Umgang mit Elektronenmikroskopen
- Vergleich der wichtigsten Mikroskopie-Verfahren und deren Einsatzgebiete
- Probenpräparation, Vakuumtechnik
- Erzeugung freier Elektronen, Ablenkung von Elektronen, Elektronenlinsen
- Wechselwirkung von Elektronen mit Materie (Sekundär- und Rückstreu-Elektronen)
- Elektronendiffusionswolke ("Streubirne/Anregungsbirne")
- Detektion von Elektronen (SE, RE, absorbierter Strom)
- Kontrastentstehung im Elektronenmikroskop, Tiefenkontrast, Materialkontrast
- Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX)
- Elektronenbeugung/-kanalisierung (electron channeling pattern, Kikuchi-Linien)
- Funktion und Aufbau von Submikrometerstrukturen
Experimentelle Technik
- Rasterelektronenmikroskop Cambridge Stereoscan 120
- Everhart-Thornley-Elektronen-Detektor
- Halbleiterdetektor für Rückstreuelektronen
- Detektor für Röntgenspektroskopie (PIN-Diode, Amptek),
- Vielkanalanalysator MCA (FastComTec), Software MCDWIN
- Steuer- und Auswerterechner, Software DISS/DIPS (point electronic)
- Probenpräparation durch Vakuumaufdampfen von Metall- oder Kohlenstoffschichten
- Lichtmikroskope
Versuchsanleitung
Versuchsanleitung REMpdf, 5 mb
Betreuer: Dr. M. Grünewald
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Gamma - Spektroskopie
Gammaspektroskopische Verfahren werden heute in vielen Bereichen von Medizin, Wissenschaft und Technik angewandt. Beim Betrieb von Kernreaktoren oder Teilchenbeschleunigern werden durch Kernreaktionen radioaktive Isotope erzeugt. Es ist eine wichtige Aufgabe der Gamma-Spektroskopie diese zu identifizieren und deren Aktivität zu bestimmen. Dies dient sowohl direkten Forschungszwecken als auch dem Strahlenschutz. Bei der Neutronen Aktivierungsanalyse (NAA) wird die Erzeugung radioaktiver Isotope gezielt ausgenutzt. Durch die Messung der nachfolgenden Gamma-Strahlung erhält man eine quantitative Elementanalyse der Probe.
Neben den offensichtlichen Anwendungen bei der Strahlenbehandlung spielt die Gammaspektroskopie in der Medizin unter anderem bei der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) eine entscheidende Rolle. Eine weitere wesentliche Bedeutung der Gamma-Spektroskopie liegt in der Untersuchung von Umweltproben. Beispielsweise nach Reaktorunfällen, wie in Tschernobyl 1986 oder in Fukushima 2011, muss der Lebensraum vieler Menschen auf radioaktive Belastung überprüft werden.
Durch die Messung rückgestreuter Gamma-Quanten kann auch die Dichteverteilung hinter festen Oberflächen gemessen werden. Beim Zoll gibt es dazu tragbare Geräte. Beim VACIS®-System (Vehicle and Cargo Inspection System) werden nicht nur einzelne Container sondern Lastwägen und ganze Züge mit starken 137Cs oder 60Co Quellen bestrahlt, um aus der transmittierten Strahlung deren Inhalt zu bestimmen und bildlich darzustellen.
Lernziele
- Umgang mit Szintillationsdetektoren, hochauflösendem Halbleiterdetektor, Elektronik.
- Aufnahme und Auswertung von γ-Spektren
- Messung und Diskussion der Energieauflösung und der Nachweiswahrscheinlichkeit als Funktion der γ-Energie
- Experimentelle Bestimmung der Totzeitkorrektur
- Analyse einer unbekannten Strahlungsquelle
- Umweltradioaktivität: Pilze aus Tschernobyl, Bestimmung der Konzentration einer Kaliumjodid-Lösung, Untersuchung eigener Proben
Experimentelle Technik
- High-Purity-Germanium (HP-Ge) Detektor, Szintillationdetektoren (NaI, Plastik)
- Verstärker, A/D-Wandler, Vielkanalanalysator
- Digital-OszilloskopPC mit Auswertesoftware
Versuchsanleitung
Betreuer: Dr. M. Hafermann
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Positronen - Vernichtung
Tritt ein Positron in einen Festkörper ein, verliert es innerhalb von ca. 10^(-12) s seine kinetische Energie. Mit thermischer Energie kann das Positron dann im Festkörper diffundieren, bis es sich mit einem Elektron vernichtet (annihiliert). Für thermische Positronen ist die Annihilationswahrscheinlichkeit proportional zur Elektronendichte. Durch die Messung der Positronenlebensdauer lassen sich deshalb Aussagen über Gitterdefekte, insbesondere Leerstellen, in Festkörpern machen. Diese sind bezüglich der Umgebung negativ geladen, weil ein positives Ion fehlt. Das positive Positron kann nun von der Leerstelle eingefangen werden und hat am Platz der Leerstelle auf Grund der geringeren Elektronendichte eine längere Lebensdauer. Neben der Lebensdauermessung wird auch die Dopplerverbreiterung der 511 keV Vernichtungsstrahlung benutzt, um Aussagen über Leerstellen zu machen. Anwendungen ergeben sich nicht nur in der Festkörperphysik, sondern auch in der Medizin. Die Positronen-Emissions-Tomographie PET kann durch den koinzidenten Nachweis der Vernichtungsquanten eine Häufung radioaktiv markierter Moleküle (e+ -Strahler, z.B. 11C) bestimmen. Beispielsweise lassen sich mit Hilfe markierter Zuckermoleküle besonders energieverbrauchende Prozesse wie aktive Hirnregionen oder bösartige Zellwucherungen im Körper lokalisieren und dreidimensional bildlich darstellen.
Lernziele
- Umgang mit Messelektronik der Kernphysik, Koinzidenzmesstechnik
- Bestimmung der Zeitauflösung der Messapparatur
- Messung der Positronenlebensdauer in einer Probe
- direkte Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Gamma-Strahlung
- Aktivitätsbestimmung einer Quelle durch Koinzidenzmesstechnik
Experimentelle Technik
- Plastik-Szintillationsdetektor
- Verstärker
- Signalverzögerer
- Constant-Fraction-Diskriminator (CFD)
- Zeit-Amplituden-Konverter (TAC)
- Analog-Digital-Konverter (ADC)
- Vielkanal-Analysator (VKA)
- digitales Oszilloskop
Versuchsanleitung
Betreuer: Dr. M. Hafermann
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Mößbauer - Effekt
Geht ein angeregter freier Atomkern unter Aussendung eines Gamma-Quants in den Grundzustand über, dann erhält das Quant wegen der Impuls- und Energieerhaltung nicht die gesamte Anregungsenergie. Das Entsprechende gilt für den Fall der Absorption eines Gamma-Quants durch einen freien Atomkern im Grundzustand. Kernresonanzabsorption von Gammastrahlung wird deshalb mit freien ruhenden Atomkernen nicht beobachtet. Sie kann aber stattfinden, wenn sowohl die emittierenden als auch die absorbierenden Kerne in Kristallgittern eingebaut sind. In diesem Fall erhält man außerordentlich scharfe Emissions- bzw. Absorptionslinien. Die rückstoßfreie Resonanzabsorption von Gammastrahlung durch in Festkörper eingebaute Kerne wird als Mössbauer-Effekt bezeichnet. Die Energieschärfe dieser Absorptionsresonanzen macht sich die Mößbauer-Spektroskopie zunutze, um sehr kleine Verschiebungen bzw. Aufspaltungen der Kernniveaus durch die umgebende Elektronenstruktur zu messen. Beobachtet wird dabei der Übergang aus dem ersten angeregten Zustand in den Grundzustand eines Kernes, wobei durch Ausnutzung des Dopplereffektes die Gammaenergie durch Bewegung der Quelle gezielt verändert wird, um die Resonanz zu durchfahren.
Mit dem Mössbauer-Effekt lassen sich alle physikalischen Phänomene untersuchen, die die Energie von Gamma-Quanten um Beträge von der Größenordnung ihrer Linienbreite ändern. Die Mößbauer-Spektroskopie gestattet z.B. die Bestimmung von Kerneigenschaften angeregter Kernzustände (mittlere Lebensdauer, magnetisches Dipolmoment, elektrisches Quadrupolmoment) oder die Vermessung von lokalen magnetischen oder elektrischen Feldern, die die (Festkörper-) Umgebung am Kernort erzeugt. Am Beispiel des 14,4keV-Niveaus im Fe-57 in nicht-ferromagnetischer bzw. ferromagnetischer Umgebung sollen einerseits die Lebensdauer, das magnetische Moment des angeregten Kernzustands, das magnetische Feld am Kernort sowie die Isomerieverschiebung zwischen Quelle und Absorber bestimmt werden.
Lernziele
- Umgang mit Messelektronik der Kernphysik
- Aufnahme und Auswertung von γ-Spektren
- Bestimmung der Energieaufspaltung durch Hyperfeinwechselwirkung
- Messung der natürlichen Linienbreite
Experimentelle Technik
- NaI(Tl)-Szintillationsdetektor
- Verstärker, Einkanal-Diskriminator (SCA)
- Analog-Digital-Konverter (ADC)
- Vielkanal-Analysator (VKA)
- Frequenzgenerator
- Mößbauerantrieb mit Steuereinheit
- Signalverzögerer
- Oszilloskop
Versuchsanleitung
Betreuer: Dr. M. Hafermann
Protokolle
Für die Abgabe der Protokolle können sie die einzelnen Betreuer unter den hierpdf, 14 kb angegeben Mail-Adressen erreichen. Bitte benennen sie die Dateien der abzugebenden Protokolle nach dem folgenden Muster: Versuch_NameStudent1_NameStudent2.pdf ( z.B. REM_Müller_Schmidt.pdf )
Die Kürzel für die einzelnen Versuche können sie an der Infotafel des F-Praktikums oder hierpdf, 16 kb finden.
Die Abgabe der Protokolle erfolgt eine Kalenderwoche nach dem letzten Versuchstag (siehe Durchlaufgruppe Rot/Blau/Grün). Bitte geben sie danach die Versuchsanleitung umgehend wieder bei uns ab.
Literatur
Neben der Literatur in der ThULB: PhysikExterner Link und in der Teilbibliothek: Sektion Physik, können sie auch die Bibliothek des F-Praktikums für ihre Versuchs- oder die Vortragsvorbereitung (siehe Seminar zum F-Praktikum) nutzen. Ein Liste der vorhandenen Bücher ist hierpdf, 163 kb zu finden.
Ort: Büro des F-Praktikums
Öffnungszeiten: 9:00 bis 16:00 Uhr (Mo - Fr)