1. Versuch: Versuchstage 23.10./24.10./30.10./06.11.; Protokollabgabe am 13.11.23
2. Versuch: Versuchstage 27.11./28.11./04.12./05.12.; Protokollabgabe am 12.12.23
3. Versuch: Versuchstage 08.01./09.01./15.01./16.01.; Protokollabgabe am 22.01.24
1. Versuch: Versuchstage 23.10./24.10./30.10./06.11.; Protokollabgabe am 13.11.23
2. Versuch: Versuchstage 27.11./28.11./04.12./05.12.; Protokollabgabe am 12.12.23
3. Versuch: Versuchstage 08.01./09.01./15.01./16.01.; Protokollabgabe am 22.01.24
1. Versuch: Versuchstage 07.11./13.11./14.11./20.11.; Protokollabgabe am 27.11.23
2. Versuch: Versuchstage 11.12./12.12./18.12./19.12.; Protokollabgabe am 09.01.24
3. Versuch: Versuchstage 22.01./23.01./29.01./30.01.; Protokollabgabe am 06.02.24
1. Versuch: Versuchstage 01.11./02.11./08.11./09.11.; Protokollabgabe am 16.11.23
2. Versuch: Versuchstage 13.12./14.12./20.12./21.12.; Protokollabgabe am 11.01.24
3. Versuch: Versuchstage 17.01./18.01./24.01./25.01.; Protokollabgabe am 01.02.24
Das Michelson-Interferometer hat sich im Laufe der "Jahrhunderte" als ein für Physiker universelles und vor allem unverzichtbares Messinstrument etabliert. Ziel des Versuchs ist, Ihnen genau diesen Tatbestand bewusst und nachvollziehbar zu machen. Im ersten Versuchsteil lernen Sie das Michelson-Interferometer als gebräuchliches Zweistrahl-Interferometer kennen. Michelson-Interferometer werden gebaut, um die Brechzahlhomogenität optischer Materialien zu messen, um die Wellenfrontdeformation -verursacht durch Objektive- zu bestimmen, um Oberflächenebenheit oder Oberflächenmaßhaltigkeit verschiedener Formen (auch Asphären) zu messen. Und alle diese Messmethoden arbeiten zum Teil auf höchstem Niveau in der Raumfahrt, Astronomie, beim Versuch des Nachweises von Gravitationswellen, oder bei der Herstellung von Optik für die Mikrostrukturierung. Im Praktikum werden Sie den Aufbau selbst vornehmen und justieren sowie die verschiedenen Betriebsarten und Messmethoden erproben. Im zweiten Versuchsteil lernen Sie den Michelson-Aufbau als optisches Fourier-Spektrometer kennen und setzen ihn zur Charakterisierung von Lichtquellen bzw. zur Messung des Absorptionsverhaltens von z.B. Wasser oder zur Bestimmung der Transmission von Filtern ein.
Versuchsanleitung MIFpdf, 643 kb
Betreuerin: Dr. S. Schmidl
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.
Versuchsanleitung Ellipdf, 541 kb
Betreuerin: P. Kellner
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.
Versuchsanleitung Hopdf, 428 kb
Betreuerin: Dr. S. Schmidl
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.
Versuchsanleitung IRpdf, 576 kb
Betreuer: Dr. H. Mutschke
Die Sonne ist, als der uns am nächsten stehenden Fixstern, am besten erforscht. Bereits Joseph von Fraunhofer entdeckte die nach ihm benannten Absorptionslinien im Spektrum unseres Zentralgestirns. Mit der spektroskopischen Untersuchung der Sonne konnte ihre chemische Zusammensetzung genau erforscht werden, was z.B. die Entdeckung des Heliums zur Folge hatte. Zudem zeigte der Vergleich des Sonnenspektrums mit Spektren der Sterne des Nachthimmels, dass diese heiße leuchtende Sonnen sind, die in großer Entfernung zur Erde stehen. Die Spektroskopie der Sterne führte zur Entdeckung der Hauptreihe im Hertzsprung-Russel-Diagramm und ermöglichte schließlich die genaue Klassifikation der Sterne, z.B. als Zwerg- oder Riesensterne.
CCD-Detektoren kommen heute bei der astronomischen Beobachtung und Spektroskopie im Optischen an allen Observatorien der Welt zum Einsatz. Die Charakterisierung der Eigenschaften dieser Detektoren sowie die Auswertung der mit ihnen gewonnenen Daten zählen zu den wichtigsten Grundkenntnissen in der heutigen astronomischen Forschungsarbeit. Wegen ihrer hohen Quanteneffizienz ermöglichen diese Detektoren die Beobachtung extrem leuchtschwacher Himmelskörper und liefern in Kombination mit einem Spektrographen präzise Informationen über die spektralen Eigenschaften der untersuchten Objekte.
Versuchsanleitung Sopdf, 1021 kb
Betreuer: Dr. H. Mutschke
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.
Versuchsanleitung Zeepdf, 444 kb
Betreuer: Dr. H. Mutschke
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.
Versuchsanleitung GLpdf, 13 mb
Betreuer: Dr. J. Hein
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.
Versuchsanleitung DLpdf, 357 kb
Betreuer: Dr. J. Hein
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
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).
Betreuer: Dr. R. Lötzsch
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).
Betreuer: Dr. R. Lötzsch
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.
Betreuer: Dr. R. Lötzsch
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.
Versuchsanleitung NMRpdf, 815 kb
Betreuer: P. Müller
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.
Versuchsanleitung EEpdf, 629 kb
Betreuer: Dr. M. Grünewald
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.
Betreuer: P. Müller
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.
Versuchsanleitung SPMpdf, 843 kb
Betreuer: Dr. M. Grünewald
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).
Versuchsanleitung REMpdf, 819 kb
Betreuer: Dr. M. Grünewald
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.
Versuchsanleitung AESpdf, 2 mb
Betreuer: Dr. F. Otto
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.
Betreuer: M. Thürk, T. Siefke
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.
Betreuer: M. Thürk, Dr. S. Schmidl
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.
Betreuer: M. Thürk
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.
Betreuer: Dr. M. Hafermann
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.
Betreuer: Dr. M. Hafermann
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.
Betreuer: Dr. M. Hafermann
Betreuer: Dr. J. Hein, Porf. Dr. S. Fritzsche
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_Mustermann_Müller.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.
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)