Versuche Lehramt

1. Versuch: Versuchstage 01.11. / 08.11. / 15.11.

Protokollabgabe am 22.11.2023

2. Versuch: Versuchstage 06.12. / 13.12. / 20.12.

Protokollabgabe am 10.01.2023

3. Versuch: Versuchstage 17.01. / 24.01. / 31.01.

Protokollabgabe am 07.02.2024

1. Versuch: Versuchstage 02.11. / 09.11. / 16.11.

Protokollabgabe am 23.11.2023

2. Versuch: Versuchstage 07.12. / 14.12. / 21.12.

Protokollabgabe am 11.01.2022

3. Versuch: Versuchstage 18.01. / 25.01. / 01.02.

Protokollabgabe am 08.02.2024

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.

Lernziele

• Erarbeitung der Grundlagen der Interferometrie
• Kennenlernen der Anwendungsmöglichkeiten von Interferometern
• Erarbeitung der Grundlagen der optischen Fourierspektroskopie
• Anwendung der Fourierspektroskopie und der Möglichkeiten zur Verbesserung des Auflösungsvermögens
• Kennenlernen verschiedener kohärenter und inkohärenter VIS/NIR-Lichtquellen

Experimentelle Technik

• Michelson-Aufbau, verschiedene Spektrallampen und andere Lichtquellen
• Michelson-Fourierspektrometer mit Verstärker und Computer zur Fourieranalyse des Signals der Lichtquellen unter Verwendung verschiedener Detektoren (Si-Photodiode oder IR-Empfänger)

Versuchsanleitung MIFpdf, 643 kb

Betreuerin: Dr. S. Schmidl

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 Kreditkarten oder im Unterhaltungsbereich, es werden auch auf holografischen Methoden beruhende messtechnische Verfahren weiterentwickelt.

Lernziele

• Aufnahme und Rekonstruktion von Wellenfronten
• Eigenschaften von Laserlicht: Wellenlänge, Polarisation, zeitliche und räumliche Kohärenz
• 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

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.

Lernziele

• Kennenlernen der wesentlichen Eigenschaften von CCD-Detektoren
• Erlernen der Grundlagen zur Bearbeitung und Analyse von CCD-Daten
• Kennenlernen der grundlegendsten Eigenschaften eines Spaltspektrographen
• Erlernen der Grundlagen zur Kalibration von Spektren (z.B. Wellenlängenkalibration)
• Aufnahme und Analyse des Sonnenspektrums

Versuchsanleitung Sopdf, 1021 kb

Betreuer: Dr. H. Mutschke

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 IRpdf, 576 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.

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

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

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 DKpdf, 258 kb

Betreuer: Dr. I. Uschmann

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 DSpdf, 275 kb

Betreuer: Dr. I. Uschmann

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 RSpdf, 314 kb

Betreuer: Dr. S. Schmidl

In diesem Versuch werden sowohl die Grundlagen des Photoeffektes als auch des glühelektrischen Effektes kennen gelernt. Sie lernen die Grundlagen zum Welle-Teilchen-Dualismus elektromagnetischer Strahlung, hier für sichtbares Licht, kennen. Mit verschiedenen Spektrallinien wird unter Ausnutzung des äußeren photoelektrischen Effektes die Einsteinsche Gleichung zum Photoeffekt überprüft (Versuchsteil A). Die Eigenschaften einer Vakuumphotozelle werden untersucht. 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 gemessen. Aus den Kennlinien wird die Richardsongleichung überprüft. Weiterhin können die Austrittsarbeit des Kathodenmatrerials 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, Bildschirmen, Röntgenröhren und Senderöhren. Für die Arbeiten zum glühelektrischen Effekt erhielt O.W. Richardson 1928 den Nobelpreis für Physik.

Lernziele

• glühelektrischer Effekt
• Leitungsmodell von Metallen: Fermiverteilung, Fermienergie
• freies Elektronengas, Potentialtopfmodell, Kontaktspannung, Austrittsarbeit
• Schottky-Effekt, Raumladungsbegrenzung, Anlaufstrom
• Glühkathoden
• Strahlungsgesetze: Plancksches -, Stefan-Boltzmann -, Kirchhoffscher Satz
• Messung von hohen Temperaturen, Schwarzkörperstrahlung, grauer Strahler
• Welle-Teilchen-Dualismus
• äußerer photoelektrischer Effekt
• Monochromatisierung von Licht, Prismenmonochromator, Metallinterferenzfilter
• Dispersion von Glas, Photokathoden
• Verbreiterung von Spektrallinien
• Messung sehr kleiner Gleichströme

Experimentelle Technik

• Vakuumdiode mit Glühkathode
• Vakuumphotozelle
• Quecksilberdampflampe
• Prismenspektrometer nach Wadsworth
• Metallinterferenzfilter
• Pikoamperemeter, Galvanometer
• Pyrometer

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.

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 RWpdf, 2 mb

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.

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 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).

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 REMpdf, 819 kb

Betreuer: Dr. M. Grünewald